WO2021255238A1 - Lithium-ion cell with a high specific energy density - Google Patents

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WO2021255238A1 PCT/EP2021/066609 EP2021066609W WO2021255238A1 WO 2021255238 A1 WO2021255238 A1 WO 2021255238A1 EP 2021066609 W EP2021066609 W EP 2021066609W WO 2021255238 A1 WO2021255238 A1 WO 2021255238A1
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Abstract

A lithium ion cell (100) is known comprising a strip-type electrode-separator composite (104) with the sequence: anode (120 / separator (118) / cathode (130), wherein the anode (120) and the cathode (130) each comprise a current collector (110; 115) with a first and a second longitudinal edge (110e, 115e) and the current collectors each have a main region (122, 126) provided with a layer made of the respective electrode material (123, 125), and a free edge strip (121, 117) extending along the first longitudinal edge (110e, 115e) and not provided with the electrode material. The composite (104) is provided in the form of a winding with two terminal end sides and is surrounded by a housing. The anode (120) and the cathode (130) are arranged offset within the composite (104), such that the first longitudinal edge (110) of the anode current collector passes out of one of the terminal end sides and the first longitudinal edge (115e) of the cathode current collector passes out of the other one of the terminal end sides. The cell (100) has a metal contact element (101a, 102, 155), with which one of the first longitudinal edges (110e, 115e) is in direct contact and is connected via welding. According to the invention, the separator (118) comprises at least one inorganic material which improves its resistance to thermal stress.

Description

Lithium-Ionen-Zelle mit hoher spezifischer Energiedichte Lithium-ion cell with a high specific energy density
Die nachstehend beschriebene Erfindung betrifft eine Lithium-Ionen-Zelle, die einen Elektroden-Se- parator-Verbund umfasst. The invention described below relates to a lithium-ion cell which comprises an electrode-separator assembly.
Elektrochemische Zellen sind dazu in der Lage, gespeicherte chemische Energie durch eine Redox reaktion in elektrische Energie umzuwandeln. Sie umfassen in der Regel eine positive und eine ne gative Elektrode, die von einem Separator voneinander getrennt sind. Bei einer Entladung werden an der negativen Elektrode durch einen Oxidationsprozess Elektronen freigesetzt. Hieraus resultiert ein Elektronenstrom, der von einem externen elektrischen Verbraucher abgegriffen werden kann, für den die elektrochemische Zelle als Energielieferant dient. Zugleich kommt es zu einem der Elekt rodenreaktion entsprechenden lonenstrom innerhalb der Zelle. Dieser lonenstrom durchquert den Separator und wird durch einen ionenleitenden Elektrolyten ermöglicht. Electrochemical cells are able to convert stored chemical energy into electrical energy through a redox reaction. They usually include a positive and a negative electrode, which are separated from one another by a separator. In the event of a discharge, electrons are released at the negative electrode through an oxidation process. This results in a stream of electrons that can be tapped from an external electrical consumer for which the electrochemical cell serves as an energy supplier. At the same time, an ion current corresponding to the electrode reaction occurs within the cell. This stream of ions passes through the separator and is made possible by an ion-conducting electrolyte.
Wenn die Entladung reversibel ist, also die Möglichkeit besteht, die bei der Entladung erfolgte Um wandlung von chemischer Energie in elektrische Energie wieder umzukehren und damit die Zelle wieder zu laden, spricht man von einer sekundären Zelle. Die bei sekundären Zellen allgemein übli che Bezeichnung der negativen Elektrode als Anode und die Bezeichnung der positiven Elektrode als Kathode bezieht sich auf die Entladefunktion der elektrochemischen Zelle. If the discharge is reversible, i.e. there is the possibility of reversing the conversion of chemical energy into electrical energy that took place during the discharge and thus recharging the cell, it is called a secondary cell. The designation of the negative electrode as anode and the designation of the positive electrode as cathode, which is generally used in secondary cells, relates to the discharge function of the electrochemical cell.
Die weitverbreiteten sekundären Lithium-Ionen-Zellen basieren auf dem Einsatz von Lithium, wel ches in Form von Ionen zwischen den Elektroden der Zelle hin und her wandern kann. Die Lithium- Ionen-Zellen zeichnen sich dabei durch eine vergleichsweise hohe Energiedichte aus. Die negative Elektrode und die positive Elektrode einer Lithium-Ionen-Zelle werden in der Regel von sogenann ten Kompositelektroden gebildet, die neben elektrochemisch aktiven Komponenten auch elektro chemisch inaktive Komponenten umfassen. The widespread secondary lithium-ion cells are based on the use of lithium, which can migrate back and forth between the electrodes of the cell in the form of ions. The lithium-ion cells are characterized by a comparatively high energy density. The negative electrode and the positive electrode of a lithium-ion cell are usually formed by so-called composite electrodes which, in addition to electrochemically active components, also include electrochemically inactive components.
Als elektrochemisch aktive Komponenten (Aktivmaterialien) für sekundäre Lithium-Ionen-Zellen kommen prinzipiell sämtliche Materialien in Frage, die Lithium-Ionen aufnehmen und wieder abge ben können. Für die negative Elektrode werden hierfür oftmals Partikel auf Kohlenstoffbasis, wie beispielsweise graphitischer Kohlenstoff, eingesetzt. Es können auch andere, nicht-graphitische Kohlenstoffmaterialien verwendet werden, die zur Interkalation von Lithium geeignet sind. Darüber hinaus können auch metallische und halbmetallische Materialien, die mit Lithium legierbar sind, zum Einsatz kommen. So sind beispielsweise die Elemente Zinn, Aluminium, Antimon und Silizium in der Lage, mit Lithium intermetallische Phasen zu bilden. Als Aktivmaterialien für die positive Elektrode können beispielsweise Lithiumcobaltoxid (LiCo02), Lithiummanganoxid (LiMn20 ), Lithiu meisenphosphat (LiFeP04) oder Derivate hiervon eingesetzt werden. Die elektrochemisch aktiven Materialien sind in der Regel in Partikelform in den Elektroden enthalten. As electrochemically active components (active materials) for secondary lithium-ion cells, in principle all materials can be used that can absorb lithium ions and then release them again. For this purpose, carbon-based particles, such as graphitic carbon, are often used for the negative electrode. Other non-graphitic carbon materials that are suitable for intercalation of lithium can also be used. In addition, metallic and semi-metallic materials that can be alloyed with lithium can also be used. For example, the elements tin, aluminum, antimony and silicon are able to form intermetallic phases with lithium. As active materials for the positive Electrode can, for example, lithium cobalt oxide (LiCo0 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 0), lithium meisenphosphat (LiFeP0 4 ) or derivatives thereof can be used. The electrochemically active materials are usually contained in the electrodes in particle form.
Als elektrochemisch inaktive Komponenten umfassen die Kompositelektroden im Allgemeinen ei nen flächigen und/oder bandförmigen Stromkollektor, beispielsweise eine metallische Folie, der mit einem Aktivmaterial beschichtet ist. Der Stromkollektor für die negative Elektrode (Anodenstrom kollektor) kann beispielsweise aus Kupfer oder Nickel und der Stromkollektor für die positive Elekt rode (Kathodenstromkollektor) beispielsweise aus Aluminium gebildet sein. Weiterhin können die Elektroden einen Elektrodenbinder (z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ein anderes Polymer, bei spielsweise Carboxymethylzellulose) umfassen. Dieser gewährleistet die mechanischeStabilitätder Elektroden und häufig auch die Haftung des Aktivmaterials auf den Stromkollektoren. Weiterhin können die Elektroden leitfähigkeitsverbessernde Additive und andere Zusätze enthalten. As electrochemically inactive components, the composite electrodes generally comprise a flat and / or strip-shaped current collector, for example a metallic foil that is coated with an active material. The current collector for the negative electrode (anode current collector) can be made of copper or nickel, for example, and the current collector for the positive electrode (cathode current collector) can be made of aluminum, for example. Furthermore, the electrodes can comprise an electrode binder (for example polyvinylidene fluoride (PVDF) or another polymer, for example carboxymethyl cellulose). This ensures the mechanical stability of the electrodes and often also the adhesion of the active material to the current collectors. Furthermore, the electrodes can contain conductivity-improving additives and other additives.
Als Elektrolyten umfassen Lithium-Ionen-Zellen in der Regel Lösungen von Lithiumsalzen wie Lithi- umhexafluorophosphat (LiPF6) in organischen Lösungsmitteln (z. B. Ether und Ester der Kohlen säure). Lithium-ion cells usually contain solutions of lithium salts such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in organic solvents (e.g. ethers and esters of carbon acid) as electrolytes.
Die Kompositelektroden werden bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Zelle mit einem oder meh reren Separatoren zu einem Verbundkörper kombiniert. Hierbei werden die Elektroden und Separa toren meist unter Druck, gegebenenfalls auch durch Lamination oder durch Verklebung, miteinan derverbunden. Die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der Zelle kann dann durch Tränkung des Ver bunds mit dem Elektrolyten hergestellt werden. In the manufacture of a lithium-ion cell, the composite electrodes are combined with one or more separators to form a composite body. The electrodes and separators are usually connected to one another under pressure, possibly also by lamination or by gluing. The basic functionality of the cell can then be established by impregnating the composite with the electrolyte.
In vielen Ausführungsformen ist der Verbundkörper eben ausgebildet sein, so dass mehrere Ver bundkörperflach aufeinander gestapelt werden können. Sehr häufig wird derVerbundkörper aber in Form eines Wickels gebildet oder zu einem Wickel verarbeitet. In many embodiments, the composite body is designed to be flat, so that several composite bodies can be stacked flat on top of one another. Very often, however, the composite body is formed in the form of a roll or processed into a roll.
In der Regel umfasst der Verbundkörper, unabhängig davon ob gewickelt oder nicht, die Sequenz positive Elektrode / Separator / negative Elektrode. Häufig werden Verbundkörper als sogenannte Bizellen mit den möglichen Sequenzen negative Elektrode / Separator / positive Elektrode / Separa tor / negative Elektrode oder positive Elektrode / Separator / negative Elektrode / Separator / posi tive Elektrode hergestellt. Für Anwendungen im Automobilbereich, für E-Bikes oder auch für andere Anwendungen mit hohem Energiebedarf wie z.B. in Werkzeugen werden Lithium-Ionen-Zellen mit möglichst hoher Energie dichte benötigt die gleichzeitig in der Lage sind, mit hohen Strömen beim Laden und Entladen be lastet zu werden. As a rule, the composite body, regardless of whether it is wound or not, comprises the sequence positive electrode / separator / negative electrode. Composite bodies are often produced as so-called bicells with the possible sequences negative electrode / separator / positive electrode / separator / negative electrode or positive electrode / separator / negative electrode / separator / positive electrode. For applications in the automotive sector, for e-bikes or for other applications with high energy requirements such as in tools, lithium-ion cells with the highest possible energy density are required, which are simultaneously able to handle high currents during charging and discharging will.
Häufig sind Zellen für die genannten Anwendungen als zylindrische Rundzellen ausgebildet, bei spielsweise mit dem Formfaktor 21 x70 (Durchmesser mal Höhe in mm) Zellen dieser Art umfassen stets einen Verbundkörper in Form eines Wickels. Moderne Lithium-Ionen-Zellen dieses Formfaktors können bereits eine Energiedichte von bis zu 270 Wh/kg erreichen. Diese Energiedichte wird aller dings nur als Zwischenschritt angesehen. Vom Markt werden bereits Zellen mit noch höheren Ener giedichten gefordert. Cells for the applications mentioned are often designed as cylindrical round cells, for example with a form factor of 21 × 70 (diameter times height in mm). Cells of this type always comprise a composite body in the form of a coil. Modern lithium-ion cells of this form factor can already achieve an energy density of up to 270 Wh / kg. However, this energy density is only seen as an intermediate step. The market is already demanding cells with even higher energy densities.
Bei der Entwicklung verbesserter Lithium-Ionen-Zellen sind allerdings noch andere Faktoren zu be achten als nur die Energiedichte. Außerordentlich wichtige Parameter sind auch der Innenwider stand der Zellen, der möglichst niedrig gehalten werden sollte, um Leistungsverluste beim Laden und Entladen zu verringern, sowie die thermische Anbindung der Elektroden, die für eine Tempera tu rregulierung der Zelle essentiell sein kann. Auch diese Parameter sind für zylindrische Rundzellen, die einen Verbundkörper in Form eines Wickels enthalten, sehr wichtig. Beim Schnellladen von Zel len können aufgrund von Leistungsverlusten Wärmestaus in den Zellen auftreten, die zu massiven thermomechanischen Belastungen und in der Folge zu Verformungen und Beschädigungen der Zell struktur führen können. Das Risiko besteht verstärkt dann, wenn die elektrische Anbindung der Stromkollektoren über separate elektrische, an die Stromkollektoren geschweißte Ableiterfahnen erfolgt, die axial aus gewickelten Verbundkörpern austreten, da bei starken Belastungen beim Laden oder Entladen eine Erwärmung lokal an diesen Ableiterfahnen auftreten kann. When developing improved lithium-ion cells, however, there are other factors to consider than just energy density. The internal resistance of the cells, which should be kept as low as possible in order to reduce power losses during charging and discharging, and the thermal connection of the electrodes, which can be essential for temperature regulation of the cell, are also extremely important parameters. These parameters are also very important for cylindrical round cells that contain a composite body in the form of a coil. When cells are rapidly charged, heat build-up can occur in the cells due to power losses, which can lead to massive thermomechanical loads and, as a result, to deformation and damage to the cell structure. The risk is increased when the electrical connection of the current collectors takes place via separate electrical conductor tabs welded to the current collectors, which emerge axially from wound composite bodies, since heating can occur locally on these conductor tabs under heavy loads during charging or discharging.
In der WO 2017/215900 Al sind Zellen beschrieben, bei denen der Elektroden-Separator-Verbund sowie dessen Elektroden bandförmig ausgebildet sind und in Form eines Wickels vorliegen. Die Elektroden weisen jeweils mit Elektrodenmaterial beladene Stromkollektoren auf. Entgegengesetzt gepolte Elektroden sind innerhalb des Elektroden-Separator-Verbunds versetzt zueinander ange ordnet, so dass Längsränder der Stromkollektoren der positiven Elektroden an einer Seite und Längsränder der Stromkollektoren der negativen Elektroden an einerweiteren Seite aus dem Wickel austreten. Zur elektrischen Kontaktierung der Stromkollektoren weist die Zelle mindestens eine Kontaktplatte auf, die auf einem der Längsränder derart aufliegt, dass sich eine linienartige Kontakt zone ergibt. Die Kontaktplatte ist mit dem Längsrand entlang der linienartigen Kontaktzone durch Verschweißung verbunden. Dadurch ist es möglich, den Stromkollektor und damit auch die dazuge hörige Elektrode Über seine / ihre gesamte Länge elektrisch zu kontaktieren. Dies senkt den Innen widerstand innerhalb der beschriebenen Zelle sehr deutlich. Das Auftreten großer Ströme kann in der Folge sehr viel besser abgefangen werden. WO 2017/215900 A1 describes cells in which the electrode-separator assembly and its electrodes are in the form of a strip and are in the form of a coil. The electrodes each have current collectors loaded with electrode material. Electrodes with opposite polarity are offset from one another within the electrode-separator assembly, so that the longitudinal edges of the current collectors of the positive electrodes emerge from the coil on one side and the longitudinal edges of the current collectors of the negative electrodes emerge from the other side. For electrical contacting of the current collectors, the cell has at least one contact plate which rests on one of the longitudinal edges in such a way that a line-like contact zone results. The contact plate is through with the longitudinal edge along the linear contact zone Welding connected. This makes it possible to make electrical contact with the current collector and thus also the associated electrode over its entire length. This significantly lowers the internal resistance within the cell described. As a result, the occurrence of large currents can be absorbed much better.
Problematisch ist bei den in der WO 2017/215900 Al beschriebenen Zellen allerdings, dass es sehr schwierig ist, die Längsränder und die Kontaktplatten miteinander zu verschweißen. Im Verhältnis zu den Kontaktplatten weisen die Stromkollektoren der Elektroden eine ausgesprochen geringe Di cke auf. Der Randbereich der Stromkollektoren ist daher mechanisch außerordentlich empfindlich und kann während der Schweißvorgangs unbeabsichtigt niedergedrückt oder niedergeschmolzen werden. Weiterhin kann es beim Anschweißen der Kontaktplatten zu einem Schmelzen von Separa toren des Elektroden-Separator-Verbunds kommen. In Extremfällen können hieraus Kurzschlüsse resultieren. However, the problem with the cells described in WO 2017/215900 A1 is that it is very difficult to weld the longitudinal edges and the contact plates to one another. In relation to the contact plates, the current collectors of the electrodes are extremely thin. The edge area of the current collectors is therefore extremely sensitive mechanically and can be unintentionally pressed down or melted down during the welding process. Furthermore, when the contact plates are welded on, separators of the electrode-separator assembly can melt. In extreme cases this can result in short circuits.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Lithium-Ionen-Zellen bereitzustellen, die sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Energiedichte sowie eine homogene Stromverteilung möglichst über die gesamte Fläche und Länge ihrer Elektroden auszeichnen und die gleichzeitig hervorragende Charakteristiken bezüglich ihres Innenwiderstands und ihrer passi ven Entwärmungsfähigkeiten besitzen. Weiterhin sollen sich die Zellen auch durch eine verbesserte Herstellbarkeit und Sicherheit auszeichnen. The present invention was based on the object of providing lithium-ion cells which are characterized by an energy density which is improved compared to the prior art and a homogeneous current distribution over the entire area and length of their electrodes, if possible, and which at the same time have excellent characteristics with regard to their internal resistance and their have passive cooling capabilities. Furthermore, the cells should also be distinguished by improved manufacturability and safety.
Diese Aufgabe wird durch die nachfolgend beschriebene Lithium-Ionen-Zelle, insbesondere die be vorzugte Ausführungsform der nachfolgend beschriebenen Lithium-Ionen-Zelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen dieser bevorzugten Ausführungsform ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. This object is achieved by the lithium-ion cell described below, in particular the preferred embodiment of the lithium-ion cell described below with the features of claim 1. Preferred configurations of this preferred embodiment emerge from the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle zeichnet sich stets durch die folgenden Merkmale a. bis j. aus: a. Die Zelle umfasst einen Elektroden-Separator-Verbund mit der Sequenz Anode /Separator/ Kathode, bevorzugt einen bandförmigen Elektroden-Separator-Verbund mit der Sequenz Anode / Separator / Kathode. b. Die Anode umfasst ein negatives Elektrodenmaterial sowie einen Anodenstromkollektor mit einem ersten und einem zweiten Längsrand und zwei Endstücken. c. Der Anodenstromkollektor weist einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial beladen ist, bevorzugt einen bandförmigen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial beladen ist, sowie einen freien Randstreifen, der sich entlang des ersten Längsrands des Anodenstrom kollektors erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist, auf. d. Die Kathode umfasst ein positives Elektrodenmaterial einen Kathodenstromkollektor mit ei nem ersten und einem zweiten Längsrand und zwei Endstücken. e. Der Kathodenstromkollektor weist einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus dem positiven Elektrodenmaterial be laden ist, bevorzugt einen bandförmigen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus dem positiven Elektrodenmaterial beladen ist, sowie einen freien Randstreifen, der sich entlang des ersten Längsrands des Kathoden stromkollektors erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial beladen ist, auf. f. Der Elektroden-Separator-Verbund liegt in Form eines Wickels mit zwei endständigen Stirn seiten vor. g. Der Elektroden-Separator-Verbund ist von einem Gehäuse umschlossen. h. Die Anode und die Kathode sind innerhalb des Elektroden-Separator-Verbunds versetzt an geordnet, so dass der erste Längsrand des Anodenstromkollektors aus einer der endständi gen Stirnseiten und der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors aus der anderen der endständigen Stirnseiten austritt. i. Die Zelle weist ein parallel zur Stirnseite angeordnetes metallisches Kontaktelement, insbe sondere eine metallische Kontaktplatte, auf, das mit einem der ersten Längsränder, bevor zugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht. j. Das Kontaktelement, insbesondere die metallische Kontaktplatte, ist mit diesem Längsrand durch Verschweißung verbunden. The lithium-ion cell according to the invention is always characterized by the following features a. to j. from: a. The cell comprises an electrode-separator assembly with the sequence anode / separator / cathode, preferably a strip-shaped electrode-separator assembly with the sequence anode / separator / cathode. b. The anode comprises a negative electrode material and an anode current collector with a first and a second longitudinal edge and two end pieces. c. The anode current collector has a main area which is loaded with a layer of the negative electrode material, preferably a band-shaped main area which is loaded with a layer of the negative electrode material, and a free edge strip which extends along the first longitudinal edge of the anode current collector and which is not loaded with the electrode material. d. The cathode comprises a positive electrode material, a cathode current collector with a first and a second longitudinal edge and two end pieces. e. The cathode current collector has a main area which is loaded with a layer of the positive electrode material, preferably a band-shaped main area which is loaded with a layer of the positive electrode material, and a free edge strip which extends along the first longitudinal edge of the cathode current collector and which is not loaded with the electrode material. f. The electrode-separator assembly is in the form of a roll with two end faces. G. The electrode-separator assembly is enclosed in a housing. H. The anode and the cathode are offset within the electrode-separator assembly so that the first longitudinal edge of the anode current collector emerges from one of the end faces and the first longitudinal edge of the cathode current collector exits from the other of the end faces. i. The cell has a metallic contact element arranged parallel to the end face, in particular a special metallic contact plate, which is in direct contact with one of the first longitudinal edges, before given lengthwise. j. The contact element, in particular the metallic contact plate, is connected to this longitudinal edge by welding.
Besonders bevorzugt umfasst die Zelle zwei Kontaktelemente, insbesondere zwei metallische Kon taktplatten, von denen eine mit dem ersten Längsrand des Anodenstromkollektors und die andere mit dem ersten Längsrand des Kathodenstromkollektors in unmittelbarem Kontakt steht, wobei dieParticularly preferably, the cell comprises two contact elements, in particular two metallic contact plates, one of which is in direct contact with the first longitudinal edge of the anode current collector and the other with the first longitudinal edge of the cathode current collector, the
Kontaktelemente und die damit in Kontakt stehenden Längsränder jeweils durch Verschweißung miteinander verbunden sind. Contact elements and the longitudinal edges in contact with them are each made by welding are connected to each other.
Die Stromkollektoren dienen dazu, im Elektrodenmaterial enthaltene elektrochemisch aktive Kom ponenten möglichst großflächig elektrisch zu kontaktieren. Bevorzugt bestehen die Stromkollekt oren als einem Metall oder sind zumindest oberflächlich metallisiert. Als Metall für den Anoden stromkollektor eignen sich beispielsweise Kupfer oder Nickel oder auch andere elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere Kupfer- und Nickellegierungen oder mit Nickel beschichtete Metalle. Auch Edelstahl kommt grundsätzlich in Frage. Als Metall für den Kathodenstromkollektor eignen sich bei spielsweise Aluminium oder auch andere elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere auch Alu- miniumlegierungen. The current collectors are used to make electrical contact with the electrochemically active components contained in the electrode material over as large an area as possible. The current collectors preferably consist of a metal or are at least superficially metallized. Suitable metals for the anode current collector are, for example, copper or nickel or other electrically conductive materials, in particular copper and nickel alloys or metals coated with nickel. In principle, stainless steel is also an option. Suitable metals for the cathode current collector are, for example, aluminum or other electrically conductive materials, in particular also aluminum alloys.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Anodenstromkollektor und/oder dem Kathodenstromkollektor jeweils um eine Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 4 pm bis 30 pm, insbesondere eine band förmige Metallfolie mit einer Dicke im Bereich von 4 pm bis 30 pm. The anode current collector and / or the cathode current collector are preferably each a metal foil with a thickness in the range from 4 pm to 30 pm, in particular a band-shaped metal foil with a thickness in the range from 4 pm to 30 pm.
Neben Folien können als Stromkollektoren allerdings auch andere bandförmige Substrate wie me tallische oder metallisierte Vliese oder offenporige Schäume oder Streckmetalle verwendet werden. In addition to foils, other strip-shaped substrates such as metallic or metallized fleeces or open-pore foams or expanded metals can also be used as current collectors.
Die Stromkollektoren sind bevorzugt beidseitig mit dem jeweiligen Elektrodenmaterial beladen. The current collectors are preferably loaded with the respective electrode material on both sides.
In den freien Randstreifen ist das Metall des jeweiligen Strom ko llektors frei von dem jeweiligen Elektrodenmaterial. Bevorzugt ist das Metall des jeweiligen Stromkollektors dort unbedeckt, so dass es für elektrische Kontaktierungen, beispielsweise durch Verschweißung, zur Verfügung steht. In the free edge strips, the metal of the respective current collector is free of the respective electrode material. The metal of the respective current collector is preferably uncovered there, so that it is available for electrical contacting, for example by welding.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle eine sekundäre Lithium-Ionen- Zelle. The lithium-ion cell according to the invention is particularly preferably a secondary lithium-ion cell.
Für Anode und Kathode der Zelle können im Grunde sämtliche für sekundäre Lithium-Ionen-Zellen bekannten Elektrodenmaterialien verwendet werden. Basically all electrode materials known for secondary lithium-ion cells can be used for the anode and cathode of the cell.
In der negativen Elektrode können als Aktivmaterialien Partikel auf Kohlenstoffbasis wie graphiti scher Kohlenstoff oder zur Interkalation von Lithium befähigte, nicht-graphitische Kohlenstoffma terialien, bevorzugt ebenfalls in Partikelform, eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch Lithiumtitanat (Li Ti50i2) oder ein Derivat desselben in der negativen Elektrode enthalten sein, bevorzugt ebenfalls in Partikelform. Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal k. aus: k. Der Separator umfasst mindestens ein anorganisches Material, das seine Widerstandsfähig keit gegenüber thermischen Belastungen verbessert. In the negative electrode, carbon-based particles such as graphitic carbon or non-graphitic carbon materials capable of intercalating lithium, preferably also in particle form, can be used as active materials. Alternatively or additionally, also lithium titanate (Li Ti 5 0i 2) or a derivative thereof may be contained in the negative electrode, also preferably in particulate form. The cell according to the invention is particularly distinguished by the immediately following feature k. from: k. The separator comprises at least one inorganic material that improves its resistance to thermal loads.
Dieses Material schützt den Separator vor einer Schrumpfung in Folge einer lokalen Erwärmung, wie sie insbesondere beim Anschweißen der Kontaktelemente, insbesondere der Kontaktplatten, auf- treten kann. Das Risiko eines Kurzschlusses wird so beträchtlich vermindert. This material protects the separator from shrinkage as a result of local heating, as can occur in particular when the contact elements, in particular the contact plates, are welded on. This considerably reduces the risk of a short circuit.
In einer bevorzugten Weiterbildung zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens ei nes der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Der Elektroden-Separator-Verbund umfasst einen ersten Separator und einen zweiten Sepa rator. b. Der erste Separator und der zweite Separator sind identisch ausgebildet. c. Der Elektroden-Separator-Verbund weist die Sequenz Anode / erster Separator / Kathode / zweiter Separator oder die Sequenz erster Separator/ Anode /zweiter Separator / Kathode auf. In a preferred development, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a. The electrode-separator assembly comprises a first separator and a second separator. b. The first separator and the second separator are identical. c. The electrode-separator assembly has the sequence anode / first separator / cathode / second separator or the sequence first separator / anode / second separator / cathode.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und c., gegebenenfalls auch die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c., in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. and c., if applicable also the immediately preceding features a. to c., are realized in combination with one another.
Bevorzugt sind sowohl der erste als auch der zweite Separator mittels des mindestens einen anor ganischen Materials gegenüber thermischen Belastungen verbessert. Both the first and the second separator are preferably improved with respect to thermal loads by means of the at least one inorganic material.
In weiteren möglichen bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. oder b. aus: a. Der erste und/oder der zweite Separator ist ein elektrisch isolierendes Flächengebilde, bei spielsweise eine Folie oder ein Gewebe oder ein Vlies, insbesondere aus mindestens einem Kunststoff, mit einer Dicke im Bereich von 5 pm bis 50 pm, bevorzugt im Bereich von 10 pm bis 30 pm. b. Die Ränder des ersten und/oder des zweiten Separators, insbesondere die Längsränder des ersten und/oder des zweiten Separators, bilden die Stirnseiten des Elektroden-Separator- Verbunds. In further possible preferred developments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. or b. from: a. The first and / or the second separator is an electrically insulating flat structure, for example a film or a fabric or a fleece, in particular made of at least one plastic, with a thickness in the range from 5 μm to 50 μm, preferably in the range from 10 μm to 30 pm. b. The edges of the first and / or the second separator, in particular the longitudinal edges of the first and / or the second separator, form the end faces of the electrode-separator assembly.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. and b. are realized in combination with each other.
Die obigen Angaben betreffend die bevorzugte Dicke des oder der Separatoren beziehen sich auf die Separatoren einschließlich des anorganischen Materials. The above information regarding the preferred thickness of the separator or separators relates to the separators including the inorganic material.
Es ist besonders bevorzugt, dass die aus den endständigen Stirnseiten des Wickels austretenden Längsränder des Anodenstromkollektors und/oder des Kathodenstromkollektors nicht mehr als 5000 pm, bevorzugt nicht mehr als 3500 pm, aus den Stirnseiten oder den Seiten herausragen. It is particularly preferred that the longitudinal edges of the anode current collector and / or the cathode current collector emerging from the end faces of the roll protrude from the end faces or the sides by no more than 5000 μm, preferably no more than 3500 μm.
Besonders bevorzugt ragt der Längsrand des Anodenstromkollektors aus der Stirnseite des Wickels nicht mehr als 2500 pm, besonders bevorzugt nicht mehr als 1500 pm, heraus. Besonders bevorzugt ragt der Längsrand des Kathodenstromkollektors aus der Stirnseite des Wickels nicht mehr als 3500 pm, besonders bevorzugt nicht mehr als 2500 pm, heraus. Particularly preferably, the longitudinal edge of the anode current collector does not protrude from the end face of the coil by more than 2500 μm, particularly preferably not more than 1500 μm. The longitudinal edge of the cathode current collector particularly preferably protrudes from the end face of the coil by no more than 3500 μm, particularly preferably no more than 2500 μm.
Die Zahlenangaben zum Überstand des Anodenstromkollektors und/oder des Kathodenstromkol lektors beziehen sich auf den freien Überstand, bevor die Seiten oder Stirnseiten mit dem Kontakte lement, insbesondere der Kontaktplatte, in Kontakt gebracht werden. Beim Anschweißen des Kon taktelements, insbesondere der Kontaktplatte, kann es zu Deformationen der Ränder der Stromkol lektoren kommen. The numerical data on the overhang of the anode current collector and / or the Kathodenstromkol lector relate to the free overhang before the sides or end faces are brought into contact with the contact element, in particular the contact plate. When welding the con tact element, in particular the contact plate, deformation of the edges of the Stromkol lectors can occur.
Je geringer der freie Überstand gewählt wird, desto breiter können die mit Elektrodenmaterial be deckten, bevorzugt bandförmigen Hauptbereiche der Stromkollektoren ausgebildet werden. Dies kann positiv zur Energiedichte der erfindungsgemäßen Zelle beitragen. The smaller the free protrusion is selected, the wider the preferably band-shaped main areas of the current collectors that are covered with electrode material can be formed. This can make a positive contribution to the energy density of the cell according to the invention.
Wenn der Elektroden-Separator-Verbund in Form eines Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vorliegt, ist es bevorzugt, dass der Separator bandförmig ausgebildet ist, insbesondere einen ersten und einen zweiten Längsrand sowie zwei Endstücke aufweist. If the electrode-separator composite is in the form of a coil with two end faces, it is preferred that the separator is designed in the form of a strip, in particular has a first and a second longitudinal edge and two end pieces.
In einer bevorzugten Weiterbildungzeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus: a. Das mindestens eine anorganische Material ist als partikuläres Füllmaterial in dem Separa tor, insbesondere dem ersten Separator und/oder dem zweiten Separator, enthalten. In a preferred development, the cell according to the invention is characterized by the immediately following feature a. out: a. The at least one inorganic material is contained as a particulate filler material in the separator, in particular the first separator and / or the second separator.
Bei dem Separator kann es sich also bevorzugt um eine elektrisch isolierende Kunststofffolie han deln, in die das partikuläre Füllmaterial eingelagert ist. Es ist bevorzugt, dass die Kunststofffolie von dem Elektrolyten durchdrungen werden kann, beispielsweise weil sie Mikroporen aufweist. Die Folie kann beispielsweise aus einem Polyolefin oder aus einem Polyetherketon gebildet sein. Nicht aus geschlossen ist, dass auch Vliese und Gewebe aus solchen Kunststoffmaterialien zum Einsatz kom men können. The separator can therefore preferably be an electrically insulating plastic film in which the particulate filler material is incorporated. It is preferred that the plastic film can be penetrated by the electrolyte, for example because it has micropores. The film can be formed, for example, from a polyolefin or from a polyether ketone. It is not ruled out that nonwovens and fabrics made from such plastic materials can also be used.
Der Anteil an dem partikulären Füllmaterial in dem Separator beträgt bevorzugt mindestens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 60 Gew.-%. The proportion of the particulate filler material in the separator is preferably at least 40% by weight, particularly preferably at least 60% by weight.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus: a. Das mindestens eine anorganische Material liegt als Beschichtung auf einer Oberfläche des Separators, insbesondere des ersten Separators und/oder des zweiten Separators, vor. In a further preferred development, the cell according to the invention is characterized by the immediately following feature a. from: a. The at least one inorganic material is present as a coating on a surface of the separator, in particular the first separator and / or the second separator.
Bei dem Separator kann es sich also bevorzugt auch um eine Kunststofffolie oder ein Vlies oder ein Gewebe oder ein sonstiges elektrisch isolierendes Flächengebilde handeln, die oder das mit dem partikulären Füllmaterial beschichtet ist. The separator can therefore preferably also be a plastic film or a fleece or a woven fabric or some other electrically insulating flat structure which is coated with the particulate filler material.
In diesem Fall werden bevorzugt Separatoren eingesetzt, die eine Basisdicke im Bereich von 5 pm bis 20 pm, bevorzugt im Bereich von 7 pm bis 12 pm, aufweisen. Die Gesamtdicke der Separatoren ergibt sich aus der Basisdicke und der Dicke der Beschichtung. In this case, preference is given to using separators which have a base thickness in the range from 5 pm to 20 pm, preferably in the range from 7 pm to 12 pm. The total thickness of the separators results from the base thickness and the thickness of the coating.
In einigen Ausführungsformen ist nur eine Seite des Flächengebildes, insbesondere der Kunststoff folie, mit dem anorganischen Material beschichtet. In weiteren Ausführungsformen ist das Flächen gebilde, insbesondere die Kunststofffolie, bevorzugt beidseitig mit dem anorganischen Material be schichtet. In some embodiments, only one side of the sheet-like structure, in particular the plastic film, is coated with the inorganic material. In further embodiments, the flat structure, in particular the plastic film, is preferably coated on both sides with the inorganic material.
Die Dicke der Beschichtung liegt bevorzugt im Bereich von 0,5 pm bis 5 pm. Hieraus ergibt sich, dass die Gesamtdicke der Separatoren im Fall einer beidseitigen Beschichtung bevorzugt im Bereich von 6 pm bis 30 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 8 pm bis 22 pm, liegt. Im Falle einer einseitigen Beschichtung liegt die Dicke bevorzugt im Bereich von 5,5 miti bis 20,5 miti, besonders bevorzugt im Bereich von 7,5 miti bis 17 miti. The thickness of the coating is preferably in the range from 0.5 μm to 5 μm. It follows from this that the total thickness of the separators in the case of a coating on both sides is preferably in the range from 6 μm to 30 μm, particularly preferably in the range from 8 μm to 22 μm. In the case of a unilateral Coating, the thickness is preferably in the range from 5.5 miti to 20.5 miti, particularly preferably in the range from 7.5 miti to 17 miti.
Gegebenenfalls kann es auch bevorzugt sein, dass die verwendeten Separatoren ein anorganisches Material als Füllstoff und das gleiche oder ein anderes anorganisches Material als Beschichtung um fassen. If appropriate, it can also be preferred that the separators used include an inorganic material as filler and the same or a different inorganic material as coating.
In weiteren möglichen bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus: a. Das mindestens eine anorganische Material ist oder umfasst ein elektrisch isolierendes Ma terial. b. Das mindestens eine anorganische Material ist oder umfasst mindestens ein Material aus der Gruppe mit keramischem Material, glaskeramischem Material und Glas. c. Das mindestens eine anorganische Material ist oder umfasst ein Lithiumionen leitendes ke ramisches Material, beispielsweise LisAlO/LLSiC^oder LiAlSi206. d. Das mindestens eine anorganische Material ist oder umfasst ein oxidisches Material, insbe sondere ein Metalloxid. e. Bei dem keramischen oder dem oxidischen Material handelt es sich um Aluminiumoxid (Al203), um Titanoxid (Ti02), um Titannitrid (TiN), um Titanaluminiumnitrid (TiAlN), um ein Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid (Si02) oder um Titancarbonitrid (TiCN). In further possible preferred developments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e. from: a. The at least one inorganic material is or comprises an electrically insulating material. b. The at least one inorganic material is or comprises at least one material selected from the group comprising ceramic material, glass-ceramic material and glass. c. The at least one inorganic material is or comprises a ceramic material which conducts lithium ions, for example LisAlO / LLSiC ^ or LiAlSi 2 0 6 . d. The at least one inorganic material is or comprises an oxidic material, in particular a special metal oxide. e. The ceramic or oxidic material is aluminum oxide (Al 2 0 3 ), titanium oxide (Ti0 2 ), titanium nitride (TiN), titanium aluminum nitride (TiAlN), a silicon oxide, in particular silicon dioxide (Si0 2 ) or Titanium carbonitride (TiCN).
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. oder die unmittel bar vorstehenden Merkmale a. und b. und d. oder die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. und e. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. to c. or the immediately preceding features a. and b. and d. or the immediately preceding features a. and b. and e. are realized in combination with each other.
Unter den genannten Materialien sind als Beschichtungsmaterialien Aluminiumoxid (Al203), Ti tanoxid (Ti02) und Siliziumdioxid (Si02) besonders bevorzugt. Among the materials mentioned, aluminum oxide (Al 2 0 3 ), titanium oxide (Ti0 2 ) and silicon dioxide (Si0 2 ) are particularly preferred as coating materials.
In weiteren möglichen bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Der erste Separator und/oder der zweite Separator umfasst das mindestens eine anorgani sche Material lediglich bereichsweise. b. Der erste Separator und/oder der zweite Separator weist entlang des ersten und/oder des zweiten Längsrands einen Randstreifen auf, in dem er das mindestens eine anorganische Material als Beschichtung und/oder als partikuläres Füllmaterial umfasst. c. Der erste Separator und/oder der zweite Separator weist einen vorzugsweise bandförmigen Hauptbereich auf, in dem er frei von dem mindestens einen anorganischen Material ist. In further possible preferred developments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. out: a. The first separator and / or the second separator comprises the at least one inorganic material only in regions. b. The first separator and / or the second separator has an edge strip along the first and / or the second longitudinal edge in which it comprises the at least one inorganic material as a coating and / or as a particulate filler material. c. The first separator and / or the second separator has a preferably band-shaped main region in which it is free of the at least one inorganic material.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. to c. are realized in combination with each other.
Es ist keinesfalls zwingend erforderlich, dassderSeparatordasanorganische Material in homogener Verteilung umfasst oder gleichmäßig und überall mit dem Material beschichtet ist. Vielmehr kann es sogar bevorzugt sein, dass der Separator in bestimmten Bereichen, beispielsweise in dem erwähn ten Hauptbereich, frei von dem anorganischen Material ist. In diesem Bereich wird eine erhöhte ther mische Beständigkeit des Separators nicht so sehr benötigt wie an den Rändern des Separators. Dar über hinaus kann das anorganische Material insbesondere in diesem Bereich zu einer ungewollten Erhöhung des Innenwiderstands der erfindungsgemäßen Zelle beitragen. It is by no means absolutely necessary that the separator comprises the inorganic material in a homogeneous distribution or is coated uniformly and everywhere with the material. Rather, it can even be preferred that the separator is free of the inorganic material in certain areas, for example in the main area mentioned. In this area, increased thermal resistance of the separator is not required as much as at the edges of the separator. In addition, the inorganic material can contribute to an undesired increase in the internal resistance of the cell according to the invention, particularly in this area.
Schutz der Ränder der Stromkollektoren Protection of the edges of the current collectors
In einigen Ausführungsformen kann das Metall des jeweiligen Stromkollektors in den freien Rand streifen aber auch mit einem Stützmaterial beschichtet sein, das thermisch beständiger als der da mit beschichtete Stromkollektor ist und das sich von dem auf dem jeweiligen Stromkollektor ange ordneten Elektrodenmaterial unterscheidet. In some embodiments, the metal of the respective current collector can strip into the free edge but also be coated with a support material that is more thermally stable than the current collector coated there and that differs from the electrode material arranged on the respective current collector.
„Thermisch beständiger“ soll hierbei bedeuten, dass das Stützmaterial bei einer Temperatur, bei der das Metall des Stromkollektors schmilzt, einen festen Zustand behält. Es weist also entweder einen höheren Schmelzpunkt als das Metall auf oder aber es sublimiert oder zersetzt sich erst bei einer Temperatur, bei der das Metall bereits geschmolzen ist. “Thermally more stable” is intended to mean that the support material retains a solid state at a temperature at which the metal of the current collector melts. It either has a higher melting point than the metal, or it sublimes or decomposes only at a temperature at which the metal has already melted.
Bevorzugt weisen sowohl der Anodenstromkollektor als auch der Kathodenstromkollektor jeweils entlang des ersten Längsrands einen freien Randstreifen auf, der nicht mit dem jeweiligen Elektro denmaterial beladen ist. In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, dass sowohl der mindestens eine freie Randstreifen des Anodenstromkollektors als auch der mindestens eine freie Randstreifen des Kathodenstromkollektors mit dem Stützmaterial beschichtet sind. Besonders bevorzugt wird für je den der Bereiche das gleiche Stützmaterial verwendet. Both the anode current collector and the cathode current collector preferably each have a free edge strip along the first longitudinal edge which is not loaded with the respective electrode material. In a further development, it is preferred that both the at least one free edge strips of the anode current collector and the at least one free edge strip of the cathode current collector are coated with the support material. The same support material is particularly preferably used for each of the areas.
Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbare Stützmaterial kann grundsätzlich ein Metall oder eine Metalllegierung sein, sofern dieses oder diese einen höheren Schmelzpunkt aufweist als das Metall, aus dem die Oberfläche besteht, die mit dem Stützmaterial beschichtet ist. In vielen Aus führungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle allerdings bevorzugt durch mindestens eines der unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. bis d. aus: a. Bei dem Stützmaterial handelt es sich um ein nichtmetallisches Material. b. Bei dem Stützmaterial handelt es sich um ein elektrisch isolierendes Material. c. Bei dem nichtmetallischen Material handelt es sich um ein keramisches Material, ein glaske ramisches Material oder um ein Glas. d. Bei dem keramischen Material handelt es sich um Aluminiumoxid (Al203), um Titanoxid (Ti02), um Titannitrid (TiN), um Titanaluminiumnitrid (TiAlN), um ein Siliziumoxid, insbeson dere Siliziumdioxid (Si02), oder um Titancarbonitrid (TiCN). The support material that can be used in the context of the present invention can in principle be a metal or a metal alloy, provided that this or these has a higher melting point than the metal of which the surface that is coated with the support material is made. In many embodiments, the lithium-ion cell according to the invention is, however, preferably characterized by at least one of the additional features immediately following a. to d. from: a. The support material is a non-metallic material. b. The support material is an electrically insulating material. c. The non-metallic material is a ceramic material, a glaske ramisches material or a glass. d. The ceramic material is aluminum oxide (Al 2 0 3 ), titanium oxide (Ti0 2 ), titanium nitride (TiN), titanium aluminum nitride (TiAlN), silicon oxide, in particular silicon dioxide (Si0 2 ), or titanium carbonitride (TiCN).
Erfindungsgemäß ist das Stützmaterial besonders bevorzugt gemäß dem unmittelbar vorstehenden Merkmal b. und insbesondere bevorzugt gemäß dem unmittelbar vorstehenden Merkmal d. ausge bildet. According to the invention, the support material is particularly preferred according to the immediately above feature b. and particularly preferably according to the immediately preceding feature d. educated.
Der Begriff nichtmetallisches Material umfasst insbesondere Kunststoffe, Gläser und keramische Materialien. The term non-metallic material includes in particular plastics, glasses and ceramic materials.
Der Begriff elektrisch isolierendes Material ist vorliegend breit auszulegen. Er umfasst grundsätzlich jedes elektrisch isolierende Material, insbesondere auch besagte Kunststoffe. The term electrically insulating material is to be interpreted broadly in the present case. It basically includes any electrically insulating material, in particular also said plastics.
Der Begriff keramisches Material ist vorliegend breit auszulegen. Insbesondere sind hierunter Car bide, Nitride, Oxide, Silicide oder Mischungen und Derivate dieserVerbindungen zu verstehen. The term ceramic material is to be interpreted broadly in the present case. In particular, these are to be understood as meaning carbides, nitrides, oxides, silicides or mixtures and derivatives of these compounds.
Mit dem Begriff „glaskeramisches Material“ ist insbesondere ein Material gemeint, das kristalline Teilchen umfasst, die in eine amorphe Glasphase eingebettet sind. Der Begriff „Glas“ meint grundsätzlich jedes anorganische Glas, das den oben definierten Kriterien an thermische Stabilität genügt und das gegenüber einem gegebenenfalls in der Zelle anwesenden Elektrolyten chemisch stabil ist. The term “glass-ceramic material” means, in particular, a material that comprises crystalline particles that are embedded in an amorphous glass phase. The term “glass” basically means any inorganic glass that meets the criteria for thermal stability defined above and that is chemically stable to any electrolyte that may be present in the cell.
Besonders bevorzugt besteht der Anodenstromkollektor aus Kupfer oder einer Kupferlegierung während gleichzeitig der Kathodenstromkollektor aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und das Stützmaterial Aluminiumoxid oder Titanoxid ist. Particularly preferably, the anode current collector consists of copper or a copper alloy, while at the same time the cathode current collector consists of aluminum or an aluminum alloy and the support material is aluminum oxide or titanium oxide.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass freie Randstreifen des Anoden- und/oder des Kathoden strom ko llektors mit einem Streifen aus dem Stützmaterial beschichtet sind. It can furthermore be preferred that free edge strips of the anode and / or cathode current collector are coated with a strip of the support material.
Die Hauptbereiche, insbesondere die bandförmigen Hauptbereiche von Anodenstromkollektor und Kathodenstromkollektor, erstrecken sich bevorzugt parallel zu den jeweiligen Längsrändern der Stromkollektoren. Bevorzugt erstrecken sich die bandförmigen Hauptbereiche über mindestens 90 %, besonders bevorzugt über mindestens 95 %, der Flächen von Anodenstromkollektor und Katho denstromkollektor. The main areas, in particular the band-shaped main areas of the anode current collector and cathode current collector, preferably extend parallel to the respective longitudinal edges of the current collectors. The band-shaped main regions preferably extend over at least 90%, particularly preferably over at least 95%, of the surfaces of the anode current collector and cathode current collector.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird das Stützmaterial unmittelbar neben den bevor zugt bandförmigen Hauptbereichen aufgebracht, bedeckt die freien Bereiche dabei jedoch nicht vollständig. Beispielsweise wird es in Form eines Streifens oder einer Linie entlang eines Längsrands von Anoden- und/oder Kathodenstromkollektor aufgebracht, so dass es den jeweiligen Randstreifen nur teilweise bedeckt. Unmittelbar entlang dieses Längsrands kann dabei ein langgestreckter Teil bereich des freien Randstreifens unbedeckt bleiben. In some preferred embodiments, the support material is applied directly next to the preferably band-shaped main areas, but does not completely cover the free areas. For example, it is applied in the form of a strip or a line along a longitudinal edge of the anode and / or cathode current collector so that it only partially covers the respective edge strip. Immediately along this longitudinal edge, an elongated part of the area of the free edge strip can remain uncovered.
Es kann entsprechend bevorzugt sein, dass sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. auszeichnet: a. Der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors und/oder der freie Randstreifen des Ka thodenstromkollektors umfasst einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich, wo bei der erste Teilbereich mit dem Stützmaterial beschichtet ist, während der zweite Teilbe reich unbeschichtet ist. b. Der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich weisen jeweils die Form einer Linie oderei nes Streifens auf und verlaufen parallel zueinander. c. Der erste Teilbereich ist zwischen dem bandförmigen Hauptbereich des Anodenstromkol lektors oder des Kathodenstromkollektors und dem zweiten Teilbereich angeordnet. It can accordingly be preferred that the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. distinguishes: a. The free edge strip of the anode current collector and / or the free edge strip of the cathode current collector comprises a first portion and a second portion, where the first portion is coated with the support material, while the second Teilbe is rich uncoated. b. The first sub-area and the second sub-area each have the shape of a line or a strip and run parallel to one another. c. The first sub-area is arranged between the ribbon-shaped main area of the anode current collector or the cathode current collector and the second sub-area.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. to c. are realized in combination with each other.
In einer alternativen Ausführungsform kann es bevorzugt sein, dass sich die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal a. auszeichnet: a. Der freie Randstreifen des Anodenstromkollektors und/oder der freie Randstreifen des Ka thodenstromkollektors ist bis hin zum ersten Längsrand mit dem Stützmaterial beschichtet. In an alternative embodiment, it can be preferred that the cell according to the invention is characterized by the immediately following feature a. distinguishes: a. The free edge strip of the anode current collector and / or the free edge strip of the cathode current collector is coated with the support material up to the first longitudinal edge.
Besonders bevorzugt zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch eine Kombination der unmit telbarfolgenden Merkmale a. und b. aus: a. Der Separator und/oder der Separator umfasst das mindestens eine anorganische Material lediglich bereichsweise. b. Der Separator und/oder der Separator umfasst das mindestens eine anorganische Material in einem Bereich, der in dem Elektroden-Separator-Verbund eine Grenze zwischen dem Stützmaterial und dem jeweils angrenzenden Elektrodenmaterial abdeckt. The cell according to the invention is particularly preferably characterized by a combination of the immediately following features a. and b. from: a. The separator and / or the separator comprises the at least one inorganic material only in regions. b. The separator and / or the separator comprises the at least one inorganic material in a region which, in the electrode-separator composite, covers a boundary between the support material and the respectively adjacent electrode material.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Elektrodenmaterialien und des Elektrolyten Preferred configurations of the electrode materials and the electrolyte
In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus: a. Das negative Elektrodenmaterial umfasst als Aktivmaterial mindestens ein Material aus der Gruppe mit Silizium, Aluminium, Zinn, Antimon und eine Verbindung oder Legierung dieser Materialien, die Lithium reversibel ein- und auslagern kann, in einem Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-%. In some particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by the immediately following feature a. from: a. The negative electrode material comprises as active material at least one material from the group with silicon, aluminum, tin, antimony and a compound or alloy of these materials, which lithium can reversibly store and remove, in a proportion of 20 wt .-% to 90 wt. -%.
Die Gewichtsangaben beziehen sich hierbei auf die Trockenmasse des negativen Elektroden materi als, also ohne Elektrolyt und ohne Berücksichtigung des Gewichts des Anodenstromkollektors. The weight data relate to the dry mass of the negative electrode material, i.e. without electrolyte and without taking into account the weight of the anode current collector.
Zinn, Aluminium, Antimon und Silizium in der Lage, mit Lithium intermetallische Phasen zu bilden. Die Kapazitätzur Aufnahme von Lithium übersteigt dabei, insbesondere im Fall von Silizium, die von Graphit oder vergleichbaren Materialien um ein Vielfaches. Tin, aluminum, antimony and silicon are able to form intermetallic phases with lithium. The capacity to absorb lithium, especially in the case of silicon, exceeds that of graphite or comparable materials many times over.
Unter den genannten Aktivmaterialien, die bevorzugt ebenfalls in Form von Partikeln verwendet werden, ist Silizium besonders bevorzugt. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind entspre chend Zellen, deren negative Elektrode als Aktivmaterial Silizium in einem Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% enthält. Of the active materials mentioned, which are also preferably used in the form of particles, silicon is particularly preferred. Particularly preferred according to the invention are accordingly cells whose negative electrode contains silicon as the active material in a proportion of 20% by weight to 90% by weight.
Auch einige Verbindungen von Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Antimon können Lithium rever sibel ein- und auslagern. Beispielsweise kann in einigen bevorzugten Ausführungsformen das Sili zium in oxidischer Form in der negativen Elektrode enthalten sein. In diesen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, dass die negative Elektrode Siliziumoxid in einem Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% aufweist. Some compounds of silicon, aluminum, tin and / or antimony can also reversibly store and remove lithium. For example, in some preferred embodiments, the silicon can be contained in oxidic form in the negative electrode. In these embodiments, it can be preferred for the negative electrode to contain silicon oxide in a proportion of 20% by weight to 90% by weight.
Das Design der erfindungsgemäßen Zelle ermöglicht einen signifikanten Vorteil. Wie eingangs er wähnt, treten bei Elektroden, bei denen die elektrische Anbindung der Stromkollektoren über die eingangs erwähnten separaten Ableiterfahnen erfolgt, beim Laden und Entladen unmittelbar in der Nähe der Ableiterfahnen größere thermomechanische Belastungen auf als entfernt von den Ab leiterfahnen. Dieser Unterschied tritt besonders ausgeprägt bei negativen Elektroden zu Tage, die als Aktivmaterial einen Anteil an Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Antimon aufweisen. The design of the cell according to the invention enables a significant advantage. As he mentioned at the beginning, occur with electrodes in which the electrical connection of the current collectors takes place via the separate tabs mentioned at the beginning, when loading and unloading directly in the vicinity of the tabs, greater thermomechanical loads than away from the tabs. This difference is particularly pronounced in the case of negative electrodes, which have a proportion of silicon, aluminum, tin and / or antimony as active material.
Die elektrische Anbindung des oder der Stromkollektoren über Kontaktelemente, insbesondere Kontaktplatten, ermöglicht nicht nur eine vergleichsweise gleichmäßige und effiziente Entwärmung erfindungsgemäßer Zellen, vielmehr werden dadurch auch die beim Laden und Entladen auftreten den thermomechanischen Belastungen gleichmäßig auf den Wickel verteilt. Überraschenderweise ermöglicht dies die Beherrschungsehr hoher Anteile an Silizium und/oder Zinn und/oder Antimon in der negativen Elektrode, bei Anteilen > 50 % treten beim Laden und Entladen vergleichsweise sel ten oder keine Schäden in Folge der thermomechanischen Belastungen auf. Durch Erhöhung des Anteils an beispielsweise Silizium in der Anode lässt sich die Energiedichte der Zelle stark erhöhen. The electrical connection of the current collector (s) via contact elements, in particular contact plates, not only enables comparatively uniform and efficient heat dissipation of cells according to the invention, but also the thermomechanical loads that occur during charging and discharging are evenly distributed on the roll. Surprisingly, this makes it possible to control very high proportions of silicon and / or tin and / or antimony in the negative electrode; with proportions> 50%, comparatively little or no damage occurs during charging and discharging as a result of the thermomechanical loads. By increasing the proportion of silicon, for example, in the anode, the energy density of the cell can be greatly increased.
Der Fachmann versteht, dass es sich bei dem Zinn, dem Aluminium, dem Silizium und dem Antimon nicht zwingend um Metalle in ihrer Reinstform handeln muss. So können beispielsweise Silizium- Partikel auch Spuren oder Anteile anderer Elemente, insbesondere anderer Metalle (abgesehen von dem ohnehin in Abhängigkeit des Ladezustands enthaltenen Lithiums), aufweisen, beispielsweise in Anteilen von bis zu 40 Gew.-%, insbesondere in Anteilen von bis zu 10 Gew.-%. Es können also auch Legierungen des Zinns, des Aluminiums, des Siliziums und des Antimons eingesetzt werden. The person skilled in the art understands that the tin, aluminum, silicon and antimony do not necessarily have to be metals in their purest form. For example, silicon particles can also have traces or proportions of other elements, in particular other metals (apart from the lithium already contained depending on the state of charge), for example in proportions of up to 40% by weight, in particular in proportions of up to 10% by weight. Alloys of tin, aluminum, silicon and antimony can also be used.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch min destens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus: a. Das negative Elektrodenmaterial umfasst als negatives Aktivmaterial weiterhin zur reversib len Ein- und Auslagerung von Lithium befähigte Partikel auf Kohlenstoffbasis wie beispiels weise graphitischen Kohlenstoff, insbesondere eine Mischung aus dem Silizium und diesen kohlenstoffbasierten Partikeln. b. Die zur Interkalation von Lithium befähigten Partikel auf Kohlenstoffbasis sind in dem Elekt rodenmaterial in einem Anteil von 5 Gew.-% bis 75 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 15 Gew.-% bis 45 Gew.-%, enthalten. In particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. and b. from: a. The negative electrode material also comprises, as negative active material, carbon-based particles capable of reversible storage and removal of lithium, such as graphitic carbon, in particular a mixture of silicon and these carbon-based particles. b. The carbon-based particles capable of intercalating lithium are contained in the electrode material in a proportion of 5% by weight to 75% by weight, in particular in a proportion of 15% by weight to 45% by weight.
In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Das negative Elektrodenmaterial umfasst einen Elektrodenbinder und/oder ein Leitmittel. b. Der Elektrodenbinder ist in dem negativen Elektrodenmaterial in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, enthalten. c. Das Leitmittel ist in dem negativen Elektrodenmaterial in einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, enthalten. In further particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a. The negative electrode material comprises an electrode binder and / or a conductive agent. b. The electrode binder is contained in the negative electrode material in a proportion of 1% by weight to 15% by weight, in particular in a proportion of 1% by weight to 5% by weight. c. The conductive agent is contained in the negative electrode material in a proportion of 0.1% by weight to 15% by weight, in particular in a proportion of 1% by weight to 5% by weight.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. to c. are realized in combination with each other.
Die Aktivmaterialien sind bevorzugt in eine Matrix aus dem Elektrodenbinder eingebettet, wobei be nachbarte Partikel in der Matrix bevorzugt in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen. The active materials are preferably embedded in a matrix made of the electrode binder, with neighboring particles in the matrix preferably being in direct contact with one another.
Leitmittel dienen dazu, die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden zu erhöhen. Übliche Elektroden binder basieren beispielsweise auf Polyvinylidenfluorid (PVDF), PolyacrylatoderCarboxymethylzel- lulose. Übliche Leitmittel sind Ruß und Metallpulver. Im Rahmen dervorliegenden Erfindung ist es besonders bevorzugt, dassdas positive Elektrodenma terial einen PVDF-Binder und das negative Elektrodenmaterial einen Polyacrylat-Binder, insbeson dere Lithiumpolyacrylsäure, umfasst. Conductors are used to increase the electrical conductivity of the electrodes. Conventional electrode binders are based, for example, on polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylate or carboxymethyl cellulose. Common conductive agents are soot and metal powder. In the context of the present invention it is particularly preferred that the positive electrode material comprises a PVDF binder and the negative electrode material comprises a polyacrylate binder, in particular lithium polyacrylic acid.
Für die positive Elektrode kommen als Aktivmaterialien beispielsweise Lithium-Metalloxid-Verbin- dungen und Lithium-Metallphosphat-Verbindungen wie LiCo02 und LiFeP0 in Frage. Weiterhin gut geeignet sind insbesondere Lithiumnickelmangancobaltoxid (NMC) mit der Summenformel Li- NixMnyCOz02 (wobei x + y + z typischerweise 1 ist), Lithiummanganspinell (LMO) mit der Summenfor mel LiMn204, oder Lithiumnickelcobaltaluminiumoxid (NCA) mit der Summenformel LiNixCoyAlz02 (wobei x + y + z typischerweise 1 ist). Auch Derivate hiervon, beispielsweise Lithiumnickelmangan- cobaltaluminiumoxid (NMCA) mit der Summenformel Lii.n(Nio.4oMn0.39Coo.i6Alo.o5)o.8902 oder Lii+xM-0 Verbindungen und/oder Mischungen der genannten Materialien können eingesetzt werden. For example, lithium metal oxide compounds and lithium metal phosphate compounds such as LiCo0 2 and LiFeP0 come into consideration as active materials for the positive electrode. Lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) with the empirical formula Li Ni x Mn y CO z 0 2 (where x + y + z is typically 1), lithium manganese spinel (LMO) with the empirical formula LiMn 2 0 4 , or lithium nickel cobalt aluminum oxide ( NCA) with the empirical formula LiNi x Co y Al z 0 2 (where x + y + z is typically 1). Also derivatives thereof, for example lithium nickel manganese cobalt aluminum oxide (NMCA) with the empirical formula Lii . n (Nio .4 oMn 0.39 Coo .i6 Alo . o 5 ) o .89 0 2 or Lii + x M-0 compounds and / or mixtures of the materials mentioned can be used.
Der hohe Gehalt an Silizium in der Anode einer erfindungsgemäßen Zelle bedingt eine entsprechend hochkapazitive Kathode, um eine gute Zellbalance erreichen zu können. Daher sind insbesondere NMC, NCA oder NMCA bevorzugt. The high content of silicon in the anode of a cell according to the invention requires a correspondingly high-capacitance cathode in order to be able to achieve a good cell balance. Therefore, NMC, NCA or NMCA are particularly preferred.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch min destens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus: a. Das positive Elektrodenmaterial umfasst als Aktivmaterial mindestens eine zur reversiblen Ein- und Auslagerung von Lithium befähigte Metalloxidverbindung, bevorzugt eine der vor stehend genannten Verbindungen, insbesondere NMC, NCA oder NMCA. b. Die mindestens eine oxidische Verbindung ist in dem Elektrodenmaterial in einem Anteil von 50 Gew.-% bis 99 Gew.-%, insbesondere in einem Anteil von 80 Gew.-% bis 99 Gew.-%, ent halten. c. Das positive Elektrodenmaterial umfasst ebenfalls bevorzugt den Elektrodenbinder und/o der das Leitmittel. d. Der Elektrodenbinder ist in dem positiven Elektrodenmaterial in einem Anteil von 0,5 Gew.- % bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% insbe sondere in einem Anteil von 1 Gew.-% bis 2 Gew.-% enthalten. e. Das Leitmittel ist in dem positiven Elektrodenmaterial in einem Anteil von 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-% enthalten. Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e. in Kombination miteinander verwirklicht sind. In particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e. from: a. The positive electrode material comprises, as active material, at least one metal oxide compound capable of reversible storage and removal of lithium, preferably one of the compounds mentioned above, in particular NMC, NCA or NMCA. b. The at least one oxidic compound is contained in the electrode material in a proportion of 50% by weight to 99% by weight, in particular in a proportion of 80% by weight to 99% by weight. c. The positive electrode material also preferably comprises the electrode binder and / or the conductive means. d. The electrode binder is in the positive electrode material in a proportion of 0.5% by weight to 15% by weight, particularly preferably in a proportion of 1% by weight to 10% by weight, in particular in a proportion of 1% by weight .-% to 2 wt .-% contain. e. The conductive agent is contained in the positive electrode material in a proportion of 0.1% by weight to 15% by weight. It is particularly preferred that the immediately above features a. to e. are realized in combination with each other.
Sowohl im Fall der positiven als auch im Fall der negativen Elektrode ist es bevorzugt, dass sich die prozentualen Anteile der jeweils im Elektrodenmaterial enthaltenen Komponenten auf 100 Gew.-% ergänzen. Both in the case of the positive and in the case of the negative electrode, it is preferred that the percentages of the components contained in each case in the electrode material add up to 100% by weight.
Während hochkapazitive Kathoden Lithium reversibel im Bereich von 200 - 250 mAh/g speichern können, liegt die theoretische Kapazität von Silizium bei ca. 3500 mAh/g. Dies führt zu vergleichs weise dicken Kathoden mit hoher Flächenbeladung und sehr dünnen Anoden mit niedriger Flächen beladung. Da Materialien wie Silizium auf Grund der sehr hohen Kapazität stark auf kleine Span nungsänderungen reagieren, sollte der Anodenstromkollektorso homogen wie möglich beschichtet werden. Bereits kleine Unterschiede in der Beladungdes Stromkollektors und/oderderVerdichtung des Elektrodenmaterials können zu starken lokalen Abweichungen in der Elektrodenbalance und/o der Stabilität führen. While high-capacity cathodes can reversibly store lithium in the range of 200 - 250 mAh / g, the theoretical capacity of silicon is approx. 3500 mAh / g. This leads to comparatively thick cathodes with high surface loading and very thin anodes with low surface loading. Since materials such as silicon react strongly to small voltage changes due to their very high capacitance, the anode current collector should be coated as homogeneously as possible. Even small differences in the loading of the current collector and / or the compression of the electrode material can lead to strong local deviations in the electrode balance and / or the stability.
Aus diesem Grund zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle in bevorzugten Ausführungsformen durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus: a. Das Flächengewicht der negativen Elektrode weicht je Flächeneinheit von mindestens 10 cm2 um maximal 2 % von einem Mittelwert ab. For this reason, the cell according to the invention is characterized in preferred embodiments by the immediately following feature a. from: a. The weight per unit area of the negative electrode deviates from an average value by a maximum of 2% per unit area of at least 10 cm 2.
Der Mittelwert ergibt sich hierbei als Quotient aus der Summe von mindestens 10 Messergebnissen durch die Anzahl der durchgeführten Messungen. The mean value is the quotient of the sum of at least 10 measurement results divided by the number of measurements carried out.
Weiterhin umfasst die Zelle bevorzugt einen Elektrolyten, beispielsweise auf der Basis mindestens eines Lithiumsalzes wie beispielsweise Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), das in einem organi schen Lösungsmittel gelöst vorliegt (z. B. in einer Mischung organischer Carbonate oder einem cyc lischen Ether wieTHF odereinem Nitril). Andere einsetzbare Lithium-Salze sind beispielsweise Lithi- umtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumbis(trifluoromethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(fluorosul- fonyl)imid (LiFSI) und Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB). Furthermore, the cell preferably comprises an electrolyte, for example based on at least one lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), which is dissolved in an organic solvent (e.g. in a mixture of organic carbonates or a cyclic ether such as THF or a nitrile) . Other lithium salts that can be used are, for example, lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiTFSI), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiFSI) and lithium bis (oxalato) borate (LiBOB).
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch min destens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus: a. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der eine Mischung aus Tetrahydrofuran (THF) und 2- Methyltetrahydrofuran (mTHF) umfasst. b. Das Volumenverhältnis von THF : zu mTHF in der Mischung liegt im Bereich von 2 : 1 bis 1 : 2, besonders bevorzugt beträgt es 1 : 1. c. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der LiPF6als Leitsalz umfasst. d. Das Leitsalz in einem Anteil von 1 bis 2.5 M, insbesondere in einem Anteil von 1 bis 1.5 M, in dem Elektrolyten enthalten. In particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to d. out: a. The cell includes an electrolyte comprising a mixture of tetrahydrofuran (THF) and 2-methyltetrahydrofuran (mTHF). b. The volume ratio of THF: to mTHF in the mixture is in the range from 2: 1 to 1: 2, particularly preferably it is 1: 1. C. The cell includes an electrolyte that includes LiPF 6 as a conductive salt. d. The electrolyte salt is contained in the electrolyte in a proportion of 1 to 2.5 M, in particular in a proportion of 1 to 1.5 M.
Besonders bevorzugt zeichnet sich der Elektrolyt der erfindungsgemäßen Zelle durch alle vorste henden Merkmale a. bis d. aus. The electrolyte of the cell according to the invention is particularly preferably characterized by all of the preceding features a. to d. out.
In alternativen besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus: a. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der eine Mischung aus Fluoroethylencarbonat (FEC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) umfasst. b. Das Volumenverhältnis von FEC : zu EMC in der Mischung liegt im Bereich von 1 : 7 bis 5 : 7, besonders bevorzugt beträgt es 3 : 7. c. Die Zelle umfasst einen Elektrolyten, der LiPF6als Leitsalz umfasst. d. Das Leitsalz ist in einer Konzentration von 1,0 bis 2.0 M, insbesondere von 1,5 M, in dem Elekt rolyten enthalten. e. Der Elektrolyt umfasst Vinylencarbonat (VC), insbesondere in einem Anteil von 1 bis 3 Gew.-In alternative, particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e. from: a. The cell includes an electrolyte comprising a mixture of fluoroethylene carbonate (FEC) and ethyl methyl carbonate (EMC). b. The volume ratio of FEC: to EMC in the mixture is in the range from 1: 7 to 5: 7, particularly preferably it is 3: 7. C. The cell includes an electrolyte that includes LiPF 6 as a conductive salt. d. The electrolyte contains the conductive salt in a concentration of 1.0 to 2.0 M, in particular 1.5 M, in the electrolyte. e. The electrolyte comprises vinylene carbonate (VC), in particular in a proportion of 1 to 3 wt.
%. %.
Besonders bevorzugt zeichnet sich der Elektrolyt der erfindungsgemäßen Zelle durch alle vorste henden Merkmale a. bis e. aus. The electrolyte of the cell according to the invention is particularly preferably characterized by all of the preceding features a. to e. out.
Zur Verbesserung der Zyklenstabilität wird das Verhältnis der Kapazitäten von Anode zu Kathode der erfindungsgemäßen Zelle vorzugsweise so ausbalanciert, dass die mögliche Kapazität des Silizi ums nicht voll ausgenutzt wird. To improve the cycle stability, the ratio of the capacities of the anode to the cathode of the cell according to the invention is preferably balanced in such a way that the possible capacity of the silicon is not fully utilized.
Besonders bevorzugt zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal a. aus: a. Die Kapazitäten von Anode zu Kathode der erfindungsgemäßen Zelle werden so ausbalan ciert, dass im Betrieb je Gramm Elektrodenmaterial der negativen Elektrode lediglich 700- 1500 mAh reversibel genutzt werden. The cell according to the invention is particularly preferably distinguished by the following immediately Feature a. from: a. The capacities from anode to cathode of the cell according to the invention are balanced in such a way that, during operation, only 700-1500 mAh are used reversibly per gram of electrode material of the negative electrode.
Durch diese Maßnahme lassen sich Volumenänderungen deutlich reduzieren. This measure can significantly reduce changes in volume.
Zu betonen ist, dass alle beschriebenen Ausführungsformen, bei denen das negative Elektrodenma terial als Aktivmaterial mindestens ein Material aus der Gruppe mit Silizium, Aluminium, Zinn, Anti mon und eine Verbindung oder Legierung dieser Materialien, die Lithium reversibel ein- und ausla gern kann, umfasst, auch völlig unabhängig von Merkmalj. aus Anspruch 1 realisierbar sind. Die Er findung umfasst somit auch Zellen mit den Merkmalen a. bis i. des Anspruchs 1, bei denen die Anode zwingend einen Anteil von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-% Silizium, Aluminium, Zinn und/oder Antimon als Aktivmaterial aufweist, der Separator aber nicht zwingend das mindestens eine anorganische Material, das seine Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Belastungen verbessert, umfassen muss. It should be emphasized that all the described embodiments in which the negative electrode material as active material is at least one material from the group with silicon, aluminum, tin, antimony and a compound or alloy of these materials that can reversibly incorporate and remove lithium, includes, also completely independent of featurej. from claim 1 can be realized. The invention thus also includes cells with the features a. until i. of claim 1, in which the anode necessarily has a proportion of 20 wt .-% to 90 wt .-% silicon, aluminum, tin and / or antimony as active material, but the separator does not necessarily have the at least one inorganic material that its resistance improved against thermal loads, must include.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Kontaktelemente Preferred configurations of the contact elements
Das Konzept der Verschweißung der Ränder von Stromkollektoren mit Kontaktplatten ist bereitsaus der WO 2017/215900 Al oder aus der JP 2004-119330 A bekannt. Die Verwendung von Kontaktplat ten ermöglicht besonders hohe Strombelastbarkeiten und einen geringen Innenwiderstand. Bezüg lich Verfahren zur elektrischen Verbindung von Kontaktelementen, insbesondere von Kontaktplat ten, mit den Rändern von Stromkollektoren wird daher auf den Inhalt derWO 2017/215900 Al und der JP 2004-119330 A vollumfänglich Bezug genommen. The concept of welding the edges of current collectors to contact plates is already known from WO 2017/215900 A1 or from JP 2004-119330 A. The use of Kontaktplat th enables particularly high current capacities and a low internal resistance. With regard to methods for electrically connecting contact elements, in particular contact plates, with the edges of current collectors, reference is therefore made in full to the content of WO 2017/215900 A1 and JP 2004-119330 A.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei den Kontaktelementen um Blechteile, die dazu ausgebildet sind, flach auf den Stirnseiten wickelförmigen Elektroden-Separator-Verbunds aufliegenzu können. Dies ist wichtig, um eine effiziente Verschweißung zu gewährleisten. In the simplest case, the contact elements are sheet metal parts which are designed to be able to rest flat on the end faces of the coil-shaped electrode-separator assembly. This is important to ensure an efficient weld.
Wie bereits oben ausgeführt, sind die Kontaktelemente bevorzugt als Kontaktplatten, also platten förmig, ausgestaltet. As already stated above, the contact elements are preferably designed as contact plates, that is to say plate-shaped.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Zelle mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. auf: a. Als Kontaktelemente, insbesondere als Kontaktplatten, werden Metallplatten mit einer Di cke im Bereich von 50 pm bis 600 pm, bevorzugt 150 - 350 pm, eingesetzt. b. Die Kontaktelemente, insbesondere die Kontaktplatten, bestehen aus legiertem oder unle giertem Aluminium, Titan, Nickel oder Kupfer, aber gegebenenfalls auch aus Edelstahl (bei spielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4304) oder aus vernickeltem Stahl. In some preferred embodiments, the cell according to the invention has at least one of the immediately following features a. and b. on: a. Metal plates with a thickness in the range from 50 μm to 600 μm, preferably 150-350 μm, are used as contact elements, in particular as contact plates. b. The contact elements, in particular the contact plates, consist of alloyed or unle alloyed aluminum, titanium, nickel or copper, but optionally also of stainless steel (for example of type 1.4303 or 1.4304) or of nickel-plated steel.
In einigen Ausführungsformen können Kontaktelemente, insbesondere Kontaktplatten, verwendet werden, die mindestens einen Schlitz und/oder mindestens eine Perforierung aufweisen. Diese die nen dazu, einer Verformung der Platten bei der Herstellung der Schweißverbindung entgegenzuwir ken. In some embodiments, contact elements, in particular contact plates, can be used which have at least one slot and / or at least one perforation. These serve to counteract any deformation of the plates when the welded connection is made.
Wie unten noch detaillierter ausgeführt wird, kann das Gehäuse, in dem der Elektroden-Separator- Verbund angeordnet ist, zylindrisch oder prismatisch ausgebildet sein. As will be explained in more detail below, the housing in which the electrode-separator assembly is arranged can be cylindrical or prismatic.
In Fällen, in denen das Gehäuse zylindrisch ausgebildet ist, werden bevorzugt Kontaktelemente, ins besondere Kontaktplatten, eingesetzt, die die Form einer Scheibe, insbesondere die Form einer kreisförmigen oder zumindest näherungsweise kreisförmigen Scheibe, aufweisen. Sie weisen dann also einen äußeren kreisförmigen oderzumindest näherungsweise kreisförmigen Scheibenrand auf. Unter einer näherungsweise kreisförmigen Scheibe soll hierbei insbesondere eine Scheibe verstan den werden, die die Form eines Kreises mit mindestens einem abgetrennten Kreissegment, bevor zugt mit zwei bis vier abgetrennten Kreissegmenten, aufweist. In cases in which the housing is cylindrical, contact elements, in particular contact plates, are preferably used which have the shape of a disk, in particular the shape of a circular or at least approximately circular disk. You then have an outer circular or at least approximately circular disc edge. An approximately circular disk is to be understood here in particular as a disk which has the shape of a circle with at least one separated circle segment, preferably with two to four separated circle segments.
In Fällen, in denen das Gehäuse prismatisch ausgebildet ist, werden bevorzugt Kontaktelemente, insbesondere Kontaktplatten, eingesetzt, die eine rechteckige Grundform aufweisen. In cases in which the housing has a prismatic design, contact elements, in particular contact plates, are preferably used which have a rectangular basic shape.
In einfacheren Fällen kann das Kontaktelement ein Metallstreifen sein oder mehrere streifenförmige Segmente aufweisen, die beispielsweise in einer sternförmigen Anordnung vorliegen. In simpler cases, the contact element can be a metal strip or have a plurality of strip-shaped segments which, for example, are in a star-shaped arrangement.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen der Anodenstromkollektor und das daran geschweißte Kontaktelement, insbesondere die daran geschweißte Kontaktplatte, beide aus dem gleichen Material. Dieses wird besonders bevorzugt aus der Gruppe mit Kupfer, Nickel, Titan, verni ckeltem Stahl und Edelstahl gewählt. In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen der Kathodenstromkollektor und das daran geschweißte Kontaktelement, insbesondere die daran geschweißte Kontaktplatte, beide aus dem gleichen Material. Dieses wird besonders bevorzugt aus der Gruppe mit legiertem oder un legiertem Aluminium, Titan und Edelstahl (z.B. vom Typ 1.4404) gewählt. In particularly preferred embodiments, the anode current collector and the contact element welded to it, in particular the contact plate welded to it, are both made of the same material. This is particularly preferably selected from the group with copper, nickel, titanium, nickel-plated steel and stainless steel. In further particularly preferred embodiments, the cathode current collector and the contact element welded to it, in particular the contact plate welded to it, both consist of the same material. This is particularly preferably selected from the group with alloyed or unalloyed aluminum, titanium and stainless steel (eg of type 1.4404).
Wie oben erwähnt, weist die erfindungsgemäße Zelle ein metallisches Kontaktelement, insbeson dere eine metallische Kontaktplatte, auf, mit der einer der ersten Längsränder, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht. Dadurch bedingt kann sich eine linienartige Kontaktzone er geben. As mentioned above, the cell according to the invention has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which one of the first longitudinal edges is in direct contact, preferably lengthwise. As a result, a line-like contact zone can arise.
In möglichen bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch min destens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Der erste Längsrand des Anodenstromkollektors steht mit einem metallischen Kontaktele ment, insbesondere einer metallischen Kontaktplatte, bevorzugt der Länge nach, in unmit telbarem Kontakt und ist mit diesem Kontaktelement, insbesondere dieser Kontaktplatte, durch Verschweißung verbunden, wobei zwischen dem Längsrand und dem metallischen Kontaktelement, insbesondere der metallischen Kontaktplatte, eine linienartige Kontakt zone besteht. b. Der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors steht mit einem metallischen Kontakte lement, insbesondere einer metallischen Kontaktplatte, bevorzugt der Länge nach, in un mittelbarem Kontakt und ist mit diesem Kontaktelement, insbesondere dieser Kontakt platte, durch Verschweißung verbunden, wobei zwischen dem Längsrand und dem metalli schen Kontaktelement, insbesondere der metallischen Kontaktplatte, eine linienartige Kon taktzone besteht. c. Der erste Längsrand des Anodenstromkollektors und/oder der erste Längsrand des Katho denstromkollektors umfasst einen oder mehrere Abschnitte, die jeweils über ihre gesamte Länge über eine Schweißnaht durchgehend mit dem jeweiligen Kontaktelement, insbeson dere der jeweiligen Kontaktplatte, verbunden sind. In possible preferred developments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a. The first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact with a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, preferably lengthwise, and is connected to this contact element, in particular this contact plate, by welding, with between the longitudinal edge and the metallic contact element, in particular the metallic contact plate, there is a line-like contact zone. b. The first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact with a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, preferably lengthwise, and is connected to this contact element, in particular this contact plate, by welding, with between the longitudinal edge and the metallic contact element , in particular the metallic contact plate, there is a line-like contact zone. c. The first longitudinal edge of the anode current collector and / or the first longitudinal edge of the cathode current collector comprises one or more sections, each of which is continuously connected over its entire length via a weld to the respective contact element, in particular the respective contact plate.
Die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. können sowohl unabhängig voneinander als auch in Kombination realisiert sein. Bevorzugt sind die Merkmale a. und b. allerdings in beiden Fällen in Kombination mit dem unmittelbar vorstehenden Merkmal c. realisiert. Über die Kontaktelemente ist es möglich, die Stromkollektoren und damit auch die dazugehörige Elektroden vorzugsweise über ihre gesamte Länge elektrisch zu kontaktieren. Gerade dies begüns tigt die erwähnte Absenkung des Innenwiderstands innerhalb der erfindungsgemäßen Zelle sehr deutlich. Die beschriebene Anordnung kann das Auftreten großer Ströme somit hervorragend ab- fangen. Mit minimiertem Innenwiderstand reduzieren sich thermische Verluste bei hohen Strömen. Zudem wird die Abfuhr thermischer Energie aus dem Elektroden-Separator-Verbund begünstigt. The immediately preceding features a. and b. can be implemented both independently of one another and in combination. The features a. and b. however, in both cases in combination with the immediately preceding feature c. realized. Via the contact elements, it is possible to make electrical contact with the current collectors and thus also with the associated electrodes, preferably over their entire length. It is precisely this that favors the aforementioned lowering of the internal resistance within the cell according to the invention very clearly. The arrangement described can therefore excellently absorb the occurrence of large currents. With minimized internal resistance, thermal losses are reduced at high currents. In addition, the dissipation of thermal energy from the electrode-separator assembly is promoted.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie die Kontaktelemente mit den Längsrändern verbunden werden können. There are several ways in which the contact elements can be connected to the longitudinal edges.
Die Kontaktelemente können mit den Längsrändern entlang der linienartigen Kontaktzonen über mindestens eine Schweißnaht verbunden sein. Die Längsränder können also einen oder mehrere Abschnitte umfassen, die jeweils über ihre gesamte Länge übereine Schweißnaht durchgehend mit der oder den Kontaktelementen, insbesondere Kontaktplatten, verbunden sind. Besonders bevor zugt weisen diese Abschnitte eine Mindestlänge von 5 mm, bevorzugt von 10 mm, besonders bevor zugt von 20 mm, auf. The contact elements can be connected to the longitudinal edges along the line-like contact zones via at least one weld seam. The longitudinal edges can thus comprise one or more sections, each of which is continuously connected over its entire length via a weld seam to the contact element or elements, in particular contact plates. These sections are particularly preferably given a minimum length of 5 mm, preferably 10 mm, particularly preferably 20 mm.
In einer möglichen Weiterbildung erstrecken sich der oder die mit dem Kontaktelement, insbeson dere der Kontaktplatte, über ihre gesamte Länge durchgehend verbundenen Abschnitte über min destens 25 %, bevorzugt über mindestens 50 %, besonders bevorzugt über mindestens 75 %, der Gesamtlänge des jeweiligen Längsrandes. In one possible development, the sections continuously connected to the contact element, in particular the contact plate, extend over their entire length over at least 25%, preferably over at least 50%, particularly preferably over at least 75%, of the total length of the respective longitudinal edge.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen sind die Längsränder über ihre gesamte Länge durchge hend mit dem Kontaktelement, insbesondere der Kontaktplatte, verschweißt. In some preferred embodiments, the longitudinal edges are continuously welded to the contact element, in particular the contact plate, over their entire length.
In weiteren möglichen Ausführungsformen sind die Kontaktelemente mit dem jeweiligen Längsrand übereine Mehrzahl oder Vielzahl von Schweißpunkten verbunden. In further possible embodiments, the contact elements are connected to the respective longitudinal edge via a plurality or multiplicity of welding points.
Wenn der Elektroden-Separator-Verbund in Form eines spiralförmigen Wickels vorliegt, weisen die aus den endständigen Stirnseiten des Wickels austretenden Längsränder des Anodenstromkollek tors und des Kathodenstromkollektors in der Regel ebenfalls eine spiralförmige Geometrie auf. Ana loges gilt dann auch für die linienartige Kontaktzone, entlang der die Kontaktelemente, insbeson dere die Kontaktplatten, mit dem jeweiligen Längsrand verschweißt sind. If the electrode-separator assembly is in the form of a spiral winding, the longitudinal edges of the anode current collector and the cathode current collector emerging from the end faces of the winding also generally have a spiral geometry. The same applies analogously to the line-like contact zone along which the contact elements, in particular the contact plates, are welded to the respective longitudinal edge.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Gehäuses Bei der Herstellung von Verbünden aus Elektroden und Separatoren wird üblicherweise darauf ge achtet, dass es nicht zu einem einseitigen Überstehen entgegengesetzt gepolter Stromkollektoren kommt, da dies die Kurzschlussgefahr erhöhen kann. Bei der beschriebenen versetzten Anordnung von Anode und Kathode ist die Kurzschlussgefahr jedoch minimiert, da die entgegengesetzt gepol ten Stromkollektoren aus sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Wickels austreten. Preferred configurations of the housing When producing assemblies from electrodes and separators, care is usually taken to ensure that current collectors with opposing polarity do not protrude on one side, as this can increase the risk of short circuits. With the offset arrangement of the anode and cathode described, the risk of short circuits is minimized, however, since the oppositely poled current collectors emerge from opposite end faces of the coil.
Den aus der versetzten Anordnung resultierenden Überstand der Stromkollektoren kann man sich erfindungsgemäß zunutze machen, indem man sie mittels eines entsprechenden Stromableiters, bevorzugt über ihre gesamte Länge, kontaktiert. Als Stromableiter dient erfindungsgemäß das er wähnte Kontaktelement. Eine solche elektrische Kontaktierung senkt den Innenwiderstand inner halb der erfindungsgemäßen Zelle sehr deutlich. Die beschriebene Anordnung kann das Auftreten großer Ströme somit sehr gut abfangen. Mit minimiertem Innenwiderstand reduzieren sich thermi sche Verluste bei hohen Strömen. Zudem wird die Abfuhr thermischer Energie aus dem gewickelten Elektroden-Separator-Verbund begünstigt. Bei starken Belastungen tritt eine Erwärmung nicht lokal sondern gleichmäßig verteilt auf. The protrusion of the current collectors resulting from the offset arrangement can be used according to the invention by contacting them by means of a corresponding current conductor, preferably over their entire length. According to the invention, the contact element mentioned serves as a current conductor. Such an electrical contact lowers the internal resistance within the cell according to the invention very significantly. The arrangement described can therefore intercept the occurrence of large currents very well. With minimized internal resistance, thermal losses are reduced at high currents. In addition, the dissipation of thermal energy from the wound electrode-separator assembly is promoted. In the case of heavy loads, heating does not occur locally but is evenly distributed.
Neben den genannten Elementen umfasst die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle zweckmäßi gerweise auch ein Gehäuse aus zwei oder mehr Gehäuseteilen, das den Elektroden-Separator-Ver bund in Form eines Wickels bevorzugt gas- und/oder flüssigkeitsdicht umschließt. In addition to the elements mentioned, the lithium-ion cell according to the invention expediently also comprises a housing made of two or more housing parts, which encloses the electrode-separator assembly in the form of a coil, preferably in a gas- and / or liquid-tight manner.
Bei Verwendung der Kontaktelemente ist es in der Regel erforderlich, die Kontaktelemente elektrisch mit dem Gehäuse zu verbinden oder aber mit elektrischen Leitern, die aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Beispielsweise können die Kontaktelemente hierzu mit den erwähnten Gehäu seteilen unmittelbar oder über elektrische Leiter verbunden werden. When using the contact elements, it is generally necessary to connect the contact elements electrically to the housing or to electrical conductors which are led out of the housing. For example, the contact elements can be connected to the aforementioned housings directly or via electrical conductors.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle dadurch aus, dass ein Teil des Gehäuses als das Kontaktelement, insbesondere die Kontaktplatte, dient und/oder dass das Kontaktelement, insbesondere die Kontaktplatte, einen Teil des Gehäuses bildet, das den Elektroden-Separator-Verbund umschließt. In particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized in that part of the housing serves as the contact element, in particular the contact plate, and / or that the contact element, in particular the contact plate, forms part of the housing that forms the electrode-separator assembly encloses.
Diese Ausführungsformen sind besonders vorteilhaft. Zum einen ist sie aus Entwärmungsaspekten optimal. Innerhalb des Wickels entstehende Wärme kann über die Ränder, insbesondere die Längs ränder, direkt ans Gehäuse abgegeben werden. Zum anderen lässt sich auf diese Weise das Innen- volumen eines Gehäuses mit vorgegebenen Außenmaßen nahezu optimal ausnutzen. Jedes sepa rate Kontaktelement und jederseparate elektrische Leiter zum Verbinden der Kontaktelemente mit dem Gehäuse benötigt Raum innerhalb des Gehäuses und trägt zum Gewicht der Zelle bei. Bei Ver zicht auf solche separaten Komponenten stehtdieser Raum für Aktivmaterial zurVerfügung. So kann die Energiedichte erfindungsgemäßer Zellen weiter erhöht werden. These embodiments are particularly advantageous. On the one hand, it is optimal in terms of cooling. Heat generated within the coil can be given off directly to the housing via the edges, in particular the longitudinal edges. On the other hand, in this way the interior almost optimal use of the volume of a housing with given external dimensions. Each separate contact element and each separate electrical conductor for connecting the contact elements to the housing requires space within the housing and adds to the weight of the cell. If such separate components are dispensed with, this space is available for active material. In this way, the energy density of cells according to the invention can be increased further.
In einerersten, besonders bevorzugten Kontaktierungsvariantezeichnetsich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b., besonders bevorzugt durch eine Kombination der beiden Merkmale, aus: a. Das Gehäuse umfasst ein becherförmiges erstes Gehäuseteil mit einem Boden und einer um laufenden Seitenwand und einer Öffnung und ein zweites Gehäuseteil, das die Öffnung ver schließt. b. Das Kontaktelement, insbesondere die Kontaktplatte, ist der Boden des ersten Gehäuseteils. In a first, particularly preferred contacting variant, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. and b., particularly preferably through a combination of the two features, of: a. The housing comprises a cup-shaped first housing part with a bottom and a side wall running around and an opening and a second housing part which closes the opening ver. b. The contact element, in particular the contact plate, is the bottom of the first housing part.
Bevorzugt ist das Gehäuse zylindrisch oder prismatisch ausgebildet. Das becherförmige erste Ge häuseteil weist entsprechend bevorzugt einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt auf und das zweite Gehäuseteil sowie der Boden des ersten Gehäuseteils sind entsprechend bevorzugt kreis förmig oder rechteckig ausgebildet. The housing is preferably cylindrical or prismatic. The cup-shaped first housing part accordingly preferably has a circular or rectangular cross section and the second housing part and the bottom of the first housing part are accordingly preferably circular or rectangular.
Wenn der Elektroden-Separator-Verbund in Form des Wickels mit den zwei endständigen Stirnseiten vorliegt, ist das Gehäuse bevorzugt zylindrisch. If the electrode-separator composite is in the form of a coil with the two end faces, the housing is preferably cylindrical.
Wenn das Gehäuse zylindrisch ausgebildet ist, dann umfasst es in aller Regel einen zylindrischen Gehäusemantel sowie ein kreisförmiges Oberteil und ein kreisförmiges Unterteil, wobei in dieser Va riante das erste Gehäuseteil den Gehäusemantel und das kreisförmige Unterteil umfasst während das zweite Gehäuseteil dem kreisförmigen Oberteil entspricht. Das kreisförmige Oberteil und/oder das kreisförmige Unterteil können als Kontaktelemente, insbesondere als Kontaktplatten, dienen. If the housing is cylindrical, then it usually comprises a cylindrical housing shell and a circular upper part and a circular lower part, in this variant the first housing part comprises the housing shell and the circular lower part while the second housing part corresponds to the circular upper part. The circular upper part and / or the circular lower part can serve as contact elements, in particular as contact plates.
Wenn das Gehäuse prismatisch ausgebildet ist, dann umfasst das Gehäuse in aller Regel mehrere rechteckige Seitenwände sowie ein polygonales, insbesondere rechteckiges Oberteil und ein poly gonales, insbesondere rechteckiges Unterteil, wobei in dieserVariante das erste Gehäuseteil die Sei tenwände und das polygonale Unterteil umfasst während das zweite Gehäuseteil dem kreisförmi- gen polygonalen Oberteil entspricht. Das Oberteil und/oder das Unterteil können als Kontaktele mente, insbesondere als Kontaktplatten, dienen. If the housing is prismatic, the housing usually comprises several rectangular side walls and a polygonal, in particular rectangular upper part and a polygonal, in particular rectangular lower part, in which case the first housing part includes the side walls and the polygonal lower part, while the second Housing part of the circular gen corresponds to the polygonal top. The upper part and / or the lower part can serve as contact elements, in particular as contact plates.
Sowohl das erste als auch das zweite Gehäuseteil besteht bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff. Die Gehäuseteile können z.B. unabhän gig voneinander aus einem vernickelten Stahlblech oder aus legiertem oder unlegiertem Aluminium bestehen. Both the first and the second housing part are preferably made of an electrically conductive material, in particular a metallic material. The housing parts can, for example, consist of nickel-plated sheet steel or alloyed or unalloyed aluminum, independently of one another.
In einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Kontaktierungsvariante zeichnet sich die erfindungs gemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e., insbesondere durch eine Kombination der unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e., aus: a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte, auf, mit der der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte auf, mit der der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktelemente, insbesondere eine der Kontaktplatten, ist der Boden des ersten Gehäuseteils. d. Das andere der Kontaktelemente, insbesondere die andere der Kontaktplatten, ist überei nen elektrischen Leiter mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden. e. Die Zelle umfasst eine Dichtung, welche das erste und das zweite Gehäuseteil elektrisch von einander isoliert. In a preferred development of the first contacting variant, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e., in particular through a combination of the immediately preceding features a. to e., from: a. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. b. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. c. One of the contact elements, in particular one of the contact plates, is the bottom of the first housing part. d. The other of the contact elements, in particular the other of the contact plates, is connected to the second housing part via electrical conductors. e. The cell includes a seal which electrically isolates the first and second housing parts from one another.
Bei dieser Ausführungsform können zum Umschließen des Elektroden-Separator-Verbunds her kömmliche Gehäuseteile verwendet werden. Es wird kein Platz für elektrische Leiter verschwendet, die zwischen dem Boden und dem Elektroden-Separator-Verbund angeordnet werden. Ein separa tes Kontaktelement, insbesondere eine separate Kontaktplatte, wird bodenseitig nicht benötigt. Zum Schließen des Gehäuses kann die elektrisch isolierende Dichtung auf einen Rand des zweiten Gehäuseteils aufgezogen werden. Die Baugruppe aus dem zweiten Gehäuseteil und der Dichtung kann in die Öffnung des ersten Gehäuseteils eingesetzt und dort mechanisch fixiert werden, bei spielsweise mittels eines Bördelvorgangs. In this embodiment, conventional housing parts can be used to enclose the electrode-separator assembly. No space is wasted for electrical conductors that are arranged between the floor and the electrode-separator assembly. A separate contact element, in particular a separate contact plate, is not required on the bottom side. To close the housing, the electrically insulating seal can be pulled onto an edge of the second housing part. The assembly of the second housing part and the seal can be inserted into the opening of the first housing part and mechanically fixed there, for example by means of a flanging process.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der ersten Kontaktierungsvariante kann auch das zweite Gehäuseteil als Kontaktelement, insbesondere als Kontaktplatte, dienen. In dieser Ausfüh rungsform zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar fol genden Merkmale a. bis e., insbesondere durch eine Kombination der unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e., aus a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte, auf, mit der der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist eine metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte auf, mit der der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktelemente, insbesondere eine der Kontaktplatten, ist der Boden des ersten Gehäuseteils. d. Das andere der Kontaktelemente, insbesondere die andere der der Kontaktplatten, ist das zweite Gehäuseteil. e. Die Zelle umfasst eine elektrische Dichtung, welche das erste und das zweite Gehäuseteil elektrisch voneinander isoliert. In a particularly preferred embodiment of the first contacting variant, the second housing part can also serve as a contact element, in particular as a contact plate. In this embodiment, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e., in particular through a combination of the immediately preceding features a. to e., from a. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. b. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. c. One of the contact elements, in particular one of the contact plates, is the bottom of the first housing part. d. The other of the contact elements, in particular the other of the contact plates, is the second housing part. e. The cell includes an electrical seal which electrically isolates the first and second housing parts from one another.
In dieser Ausführungsform werden auf keiner Seite des Elektroden-Separator-Verbunds elektrische Leiter zum Verbinden von Kontaktelementen mit Gehäuseteilen benötigt. Auf einer Seite kommt ei nem Kontaktelement zusätzlich die Funktion eines Gehäuseteils zu, auf der anderen Seite dient ein Teil eines Gehäuses als Kontaktelement. Der Raum innerhalb des Gehäuses kann optimal genutzt werden. In this embodiment, electrical conductors for connecting contact elements with housing parts are not required on either side of the electrode-separator assembly. On one side, a contact element also has the function of a housing part, while on the other side a part of a housing serves as a contact element. The space inside the housing can be used optimally.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der ersten Kontaktierungsvariante zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e. aus: a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte, auf, mit der der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte, auf, mit der der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktelemente, insbesondere eine der Kontaktplatten, ist der Boden des ersten Gehäuseteils. d. Das zweite Gehäuseteil ist in die Öffnung des ersten Gehäuseteils eingeschweißt und um fasst eine Poldurchführung, beispielsweise ein von einem elektrischen Isolator umgebener Polbolzen, durch welche ein elektrischer Leiter aus dem Gehäuse herausgeführt ist. e. Das andere der Kontaktelemente, insbesondere die andere der Kontaktplatten, ist mit die sem elektrischen Leiter elektrisch verbunden. In a further preferred development of the first contacting variant, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e. out: a. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. b. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. c. One of the contact elements, in particular one of the contact plates, is the bottom of the first housing part. d. The second housing part is welded into the opening of the first housing part and comprises a pole bushing, for example a pole bolt surrounded by an electrical insulator, through which an electrical conductor is led out of the housing. e. The other of the contact elements, in particular the other of the contact plates, is electrically connected to the sem electrical conductor.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. to e. are realized in combination with each other.
In dieser Ausführungsform sind die Gehäuseteile miteinander verschweißt und damit elektrisch mit einanderverbunden. Aus diesem Grund wird besagte Poldurchführung benötigt. In this embodiment, the housing parts are welded to one another and thus electrically connected to one another. For this reason, the said pole lead-through is required.
In einer zweiten bevorzugten Kontaktierungsvariante zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b., besonders bevorzugt durch eine Kombination der beiden Merkmale, aus: a. Das Gehäuse umfasst ein rohrförmiges erstes Gehäuseteil mit zwei endständigen Öffnungen, ein zweites Gehäuseteil, das eine der Öffnungen verschließt und ein drittes Gehäuseteil, das die andere der Öffnungen verschließt. b. Das Kontaktelement, insbesondere die Kontaktplatte, ist das zweite Gehäuseteil oder das dritte Gehäuseteil. Auch in dieser Kontaktierungsvariante ist das Gehäuse der Zelle bevorzugt zylindrisch oder prisma tisch ausgebildet. Das rohrförmige erste Gehäuseteil weist entsprechend bevorzugt einen kreisför migen oder rechteckigen Querschnitt auf und das zweite und dritte Gehäuseteil sind entsprechend bevorzugt kreisförmig oder rechteckig ausgebildet. In a second preferred contact variant, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. and b., particularly preferably through a combination of the two features, of: a. The housing comprises a tubular first housing part with two terminal openings, a second housing part which closes one of the openings and a third housing part which closes the other of the openings. b. The contact element, in particular the contact plate, is the second housing part or the third housing part. In this contact variant, too, the housing of the cell is preferably cylindrical or prismatic. The tubular first housing part accordingly preferably has a circular or rectangular cross section, and the second and third housing parts are correspondingly preferably circular or rectangular.
Wenn das Gehäuse zylindrisch ausgebildet ist, dann ist das erste Gehäuseteil in aller Regel hohlzy lindrisch ausgebildet während das zweite und dritte Gehäuseteil kreisförmig ausgebildet sind und als Kontaktelemente, insbesondere als Kontaktplatten, sowie gleichzeitig als Boden und Deckel, welche das erste Gehäuseteil endständig verschließen können, dienen können. If the housing is cylindrical, then the first housing part is usually hollow-cylindrical while the second and third housing parts are circular and as contact elements, in particular as contact plates, and at the same time as a base and cover, which can close the first housing part at the end, can serve.
Wenn das Gehäuse prismatisch ausgebildet ist, dann umfasst das erste Gehäuseteil in aller Regel mehrere rechteckige, über gemeinsame Kanten miteinander verbundene Seitenwände, während das zweite und das dritte Gehäuseteil jeweils polygonal, insbesondere rechteckig, ausgebildet sind. Sowohl das zweite und das dritte Gehäuseteil können als Kontaktelemente, insbesondere als Kon taktplatten, dienen. If the housing has a prismatic design, the first housing part generally comprises a plurality of rectangular side walls connected to one another via common edges, while the second and third housing parts are each polygonal, in particular rectangular. Both the second and the third housing part can serve as contact elements, in particular as con tact plates.
Sowohl das erste als auch das zweite Gehäuseteil besteht bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff. Die Gehäuseteile können z.B. aus einem vernickelten Stahlblech, aus Edelstahl (beispielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4304), aus Kupfer, aus vernickeltem Kupferoderaus legiertem oderunlegiertem Aluminium bestehen. Es kann auch bevor zugtsein, dass mit der Kathode elektrisch verbundene Gehäuseteile aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung und mit der Anode elektrisch verbundene Gehäuseteile aus Kupfer oder einer Kupferlegierung oder aus vernickeltem Kupfer bestehen. Both the first and the second housing part are preferably made of an electrically conductive material, in particular a metallic material. The housing parts can for example consist of a nickel-plated sheet steel, of stainless steel (for example of type 1.4303 or 1.4304), of copper, of nickel-plated copper or of alloyed or unalloyed aluminum. It can also be preferred that housing parts electrically connected to the cathode consist of aluminum or an aluminum alloy and housing parts electrically connected to the anode consist of copper or a copper alloy or of nickel-plated copper.
Ein großerVorteil dieser Variante ist, dass zur Bildung des Gehäuses keine durch vorgeschaltete Um form- und/oder Gießvorgänge herzustellende becherförmige Gehäuseteile benötigt werden. Als Ausgangspunkt dient stattdessen besagtes rohrförmiges erstes Gehäuseteil. A major advantage of this variant is that no cup-shaped housing parts to be produced by upstream forming and / or casting processes are required to form the housing. Instead, said tubular first housing part serves as the starting point.
In einer bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis e., insbesondere durch eine Kombination der unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e., aus: a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte, auf, mit der der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte, auf, mit der der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktelemente, insbesondere eine der Kontaktplatten, ist in eine der endstän digen Öffnungen des ersten Gehäuseteils eingeschweißt und ist das zweite Gehäuseteil. d. Das dritte Gehäuseteil ist in die andere der endständigen Öffnungen des ersten Gehäuseteils eingeschweißt und umfasst eine Poldurchführung, durch welche ein elektrischer Leiter aus dem Gehäuse herausgeführt ist, beispielsweise einen von einem elektrischen Isolator umge benen Polbolzen. e. Das andere der Kontaktelemente, insbesondere die andere der Kontaktplatten, ist mit die sem elektrischen Leiter elektrisch verbunden. In a preferred development of the second variant, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to e., in particular through a combination of the immediately preceding features a. to e., from: a. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the anode current collector, preferably the length after, is in direct contact and with which this longitudinal edge is connected by welding. b. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. c. One of the contact elements, in particular one of the contact plates, is welded into one of the endstän-ended openings of the first housing part and is the second housing part. d. The third housing part is welded into the other of the end openings of the first housing part and comprises a pole bushing through which an electrical conductor is led out of the housing, for example a pole bolt surrounded by an electrical insulator. e. The other of the contact elements, in particular the other of the contact plates, is electrically connected to the sem electrical conductor.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis e. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. to e. are realized in combination with each other.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich die erfindungsge mäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis d. aus: a. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte, auf, mit der der erste Längsrand des Anodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. b. Die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement, insbesondere eine metallische Kontakt platte, auf, mit der der erste Längsrand des Kathodenstromkollektors, bevorzugt der Länge nach, in unmittelbarem Kontakt steht und mit der dieser Längsrand durch Verschweißung verbunden ist. c. Eines der Kontaktelemente, insbesondere eine der Kontaktplatten, ist in eine der endstän digen Öffnungen des ersten Gehäuseteils eingeschweißt und ist das zweite Gehäuseteil. d. Das andere der Kontaktelemente, insbesondere die andere der Kontaktplatten, verschließt als drittes Gehäuseteil die andere der endständigen Öffnungen des ersten Gehäuseteils und ist mit tels einer Dichtung von dem ersten Gehäuseteil isoliert. In a further preferred development of the second variant, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to d. from: a. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the anode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. b. The cell has a metallic contact element, in particular a metallic contact plate, with which the first longitudinal edge of the cathode current collector is in direct contact, preferably lengthwise, and with which this longitudinal edge is connected by welding. c. One of the contact elements, in particular one of the contact plates, is welded into one of the endstän-ended openings of the first housing part and is the second housing part. d. The other of the contact elements, in particular the other of the contact plates, closes as the third housing part, the other of the terminal openings of the first housing part and is isolated from the first housing part by means of a seal.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis d. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. to d. are realized in combination with each other.
Beide Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass auf einer Gehäuseseite ein Kontaktele ment, insbesondere eine Kontaktplatte, als Gehäuseteil dient und mit dem ersten Gehäuseteil durch Verschweißung verbunden ist. Auf der anderen Seite kann ebenfalls ein Kontaktelement, insbeson dere eine Kontaktplatte, als Gehäuseteil dienen. Diese muss dann aber elektrisch von dem ersten Gehäuseteil isoliert sein. Alternativ kann auch hier wieder mit einer Poldurchführung gearbeitet wer den. Both embodiments are characterized in that a contact element, in particular a contact plate, serves as a housing part on one side of the housing and is connected to the first housing part by welding. On the other hand, a contact element, in particular a contact plate, can also serve as a housing part. However, this must then be electrically isolated from the first housing part. Alternatively, a pole bushing can also be used here again.
Die Poldurchführungen erfindungsgemäßer Zellen umfassen stets einen elektrischen Isolator, der einen elektrischen Kontakt des Gehäuses mit dem aus dem Gehäuse geführten elektrischen Leiter unterbindet. Bei dem elektrischen Isolator kann es sich beispielsweise um ein Glas oder einen kera mischen Werkstoff oder um einen Kunststoff handeln. The pole bushings of cells according to the invention always comprise an electrical insulator, which prevents electrical contact between the housing and the electrical conductor guided out of the housing. The electrical insulator can be, for example, a glass or a ceramic mix material or a plastic.
Der Elektroden-Separator-Verbund liegt bevorzugt in Form eines zylindrischen Wickels vor. Die Be- reitstellungder Elektroden in Form eines solchen Wickels erlaubt eine besonders vorteilhafte Raum nutzungin zylindrischen Gehäusen. Das Gehäuse ist daher in bevorzugten Ausführungsformen eben falls zylindrisch. The electrode-separator assembly is preferably in the form of a cylindrical roll. The provision of the electrodes in the form of such a coil allows a particularly advantageous use of space in cylindrical housings. The housing is therefore also cylindrical in preferred embodiments.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen liegt der Elektroden-Separator-Verbund bevorzugt in Form eines prismatischen Wickels vor. Die Bereitstellung der Elektroden in Form eines solchen Wi ckels erlaubt eine besonders vorteilhafte Raumnutzung in prismatischen Gehäusen. Das Gehäuse ist daher in bevorzugten Ausführungsformen ebenfalls prismatisch. In other preferred embodiments, the electrode-separator assembly is preferably in the form of a prismatic coil. The provision of the electrodes in the form of such a coil allows a particularly advantageous use of space in prismatic housings. The housing is therefore also prismatic in preferred embodiments.
Daneben können prismatische Gehäuse besonders gut von prismatischen Stapeln aus einer Mehr zahl von Elektroden-Separator-Verbünden ausgefüllt werden. Die Elektroden-Separator-Verbünde können zu diesem Zweck besonders bevorzugt eine im Wesentlichen rechteckige Grundform auf weisen. In addition, prismatic housings can be filled particularly well by prismatic stacks made up of a plurality of electrode-separator assemblies. For this purpose, the electrode-separator assemblies can particularly preferably have an essentially rectangular basic shape.
Bei den Gehäuseteilen handelt es sich bevorzugt um Blechteile mit einer Dicke im Bereich von 50 pm bis 600 pm, bevorzugt im Bereich von 150 - 350 pm. Die Blechteile bestehen wiederum bevorzugt aus legiertem oder unlegiertem Aluminium, Titan, Nickel oder Kupfer, gegebenenfalls auch aus Edel stahl (beispielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4304) oder aus vernickeltem Stahl. The housing parts are preferably sheet metal parts with a thickness in the range from 50 μm to 600 μm, preferably in the range from 150-350 μm. The sheet metal parts are in turn preferably made made of alloyed or unalloyed aluminum, titanium, nickel or copper, possibly also made of stainless steel (for example of type 1.4303 or 1.4304) or of nickel-plated steel.
Zu betonen ist, dass alle beschriebenen Ausführungsformen, bei denen ein Teil des Gehäuses als das Kontaktelement, insbesondere als die Kontaktplatte, dient und/oder das Kontaktelement, insbe sondere die Kontaktplatte, einen Teil des Gehäuses bildet, das den Elektroden-Separator-Verbund umschließt, insbesondere die erste und die zweite Kontaktierungsvariante, auch völlig unabhängig von Merkmal j. aus Anspruch 1 realisierbar sind. Die Erfindung umfasst somit auch Zellen mit den Merkmalen a. bis i. des Anspruchs 1, bei denen ein Teil des Gehäuses als das Kontaktelement, insbe sondere als die Kontaktplatte, dient und/oderdas Kontaktelement, insbesondere die Kontaktplatte, einen Teil des Gehäuses bildet, der Separator aber nicht zwingend das mindestens eine anorgani sche Material, das seine Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Belastungen verbessert, um fassen muss. It should be emphasized that all of the described embodiments in which part of the housing serves as the contact element, in particular as the contact plate, and / or the contact element, in particular the contact plate, forms part of the housing that encloses the electrode-separator assembly , in particular the first and the second contacting variant, also completely independent of feature j. from claim 1 can be realized. The invention thus also includes cells with the features a. until i. of claim 1, in which a part of the housing serves as the contact element, in particular as the contact plate, and / or the contact element, in particular the contact plate, forms part of the housing, but the separator does not necessarily have the at least one inorganic material Resistance to thermal loads improved, must be grasped.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Stromkollektoren Preferred configurations of the current collectors
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen ist die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. gekennzeichnet: a. der Hauptbereich des mit dem Kontaktelement, insbesondere der Kontaktplatte, durch Ver schweißung verbundenen Stromkollektors, bevorzugt der bandförmige Hauptbereich des mit der Kontaktplatte durch Verschweißung verbundenen Strom ko llektors, weist eine Viel zahl von Durchbrechungen auf. b. Bei den Durchbrechungen in dem Hauptbereich handelt es sich um runde oder eckige Lö cher, insbesondere Stanz- oder Bohrlöcher. c. Der mit dem Kontaktelement, insbesondere der Kontaktplatte, durch Verschweißung ver bundene Stromkollektor ist in dem Hauptbereich perforiert, insbesondere durch Rundloch oder Schlitzlochperforation. In particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. marked: a. the main area of the current collector connected by welding to the contact element, in particular the contact plate, preferably the band-shaped main area of the current collector connected to the contact plate by welding, has a large number of openings. b. The openings in the main area are round or angular holes, in particular punched or drilled holes. c. The current collector connected to the contact element, in particular the contact plate, by welding is perforated in the main area, in particular by a round hole or slotted hole perforation.
Die Vielzahl von Durchbrechungen resultiert in einem verringerten Volumen und auch verringertem Gewicht des Stromkollektors. Dies macht es möglich, mehr Aktivmaterial in die Zelle einzubringen und auf diese Weise die Energiedichte der Zelle drastisch zu steigern. Energiedichtenerhöhungen bis in den zweistelligen Prozentbereich können so erreicht werden. In einigen bevorzugten Ausführungsformen sind die Durchbrechungen mittels Laser in den bandför migen Hauptbereich eingebracht. The large number of perforations results in a reduced volume and also a reduced weight of the current collector. This makes it possible to bring more active material into the cell and in this way to drastically increase the energy density of the cell. Energy density increases in the double-digit percentage range can be achieved in this way. In some preferred embodiments, the perforations are made in the main band-shaped area by means of a laser.
Grundsätzlich ist die Geometrie der Durchbrechungen nicht erfindungswesentlich. Wichtig ist, dass in Folge der Einbringung der Durchbrechungen die Masse des Stromkollektors verringert und mehr Platz für Aktivmaterial da ist, da die Durchbrechungen mit dem Aktivmaterial befüllt werden kön nen. In principle, the geometry of the openings is not essential to the invention. It is important that, as a result of the openings being made, the mass of the current collector is reduced and there is more space for active material, since the openings can be filled with the active material.
Sehr vorteilhaft kann hingegen sein, bei der Einbringung der Durchbrechungen darauf zu achten, dass der maximale Durchmesser der Durchbrechungen nicht zu groß ist. Bevorzugt sollten die Durchbrechungen nicht mehr als das doppelte der Dicke der Schicht des Elektrodenmaterials auf dem jeweiligen Strom kollektor betragen. On the other hand, it can be very advantageous, when making the openings, to ensure that the maximum diameter of the openings is not too large. The openings should preferably not be more than twice the thickness of the layer of the electrode material on the respective current collector.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen ist die erfindungsgemäße Zelle durch das unmittelbar folgende Merkmal a. gekennzeichnet: a. Die Durchbrechungen in dem Stromkollektor, insbesondere in dem Hauptbereich, weisen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 3000 pm auf. In particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by the immediately following feature a. marked: a. The openings in the current collector, in particular in the main area, have diameters in the range from 1 μm to 3000 μm.
Innerhalb dieses bevorzugten Bereiches sind Durchmesser im Bereich von 10 pm bis 2000 pm, be vorzugt von 10 pm bis 1000 pm, insbesondere von 50 pm bis 250 pm, weiter bevorzugt. Within this preferred range, diameters in the range from 10 pm to 2000 pm, preferably from 10 pm to 1000 pm, in particular from 50 pm to 250 pm, are more preferred.
Besonders bevorzugt zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle weiterhin durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. aus: a. Der mit dem Kontaktelement, insbesondere der Kontaktplatte, durch Verschweißung ver bundene Stromkollektor weist zumindest in einem Teilabschnitt des Hauptbereichs ein ge ringeres Flächengewicht auf als der freie Randstreifen desselben Stromkollektors. b. Der mit dem Kontaktelement, insbesondere der Kontaktplatte, durch Verschweißung ver bundene Stromkollektor weist in dem freien Randstreifen keine oder weniger Durchbre chungen pro Flächeneinheit als in dem Hauptbereich auf. The cell according to the invention is particularly preferably further characterized by at least one of the immediately following features a. and b. from: a. The current collector connected to the contact element, in particular the contact plate, by welding has, at least in a section of the main area, a lower weight per unit area than the free edge strip of the same current collector. b. The current collector connected by welding to the contact element, in particular the contact plate, has no or fewer perforations per unit area in the free edge strip than in the main area.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. und b. in Kombination miteinander verwirklicht sind. Der freien Randstreifen von Anoden- und Kathodenstromkollektor begrenzen den Hauptbereich zu den ersten Rändern oderden ersten Längsrändern hin. Bevorzugt umfassen sowohl der Anoden- als auch der Kathodenstromkollektor freie Randstreifen jeweils entlang ihren beiden Rändern, insbe sondere entlang ihren beiden Längsrändern. It is particularly preferred that the immediately above features a. and b. are realized in combination with each other. The free edge strips of the anode and cathode current collectors delimit the main area towards the first edges or the first longitudinal edges. Preferably, both the anode and the cathode current collector comprise free edge strips along their two edges, in particular along their two longitudinal edges.
Die Durchbrechungen charakterisieren den Hauptbereich. Mit anderen Worten, die Grenze zwischen dem Hauptbereich und dem oderden freien Randstreifen entspricht einem Übergang zwischen Be reichen mit und ohne Durchbrechungen. The openings characterize the main area. In other words, the boundary between the main area and the free edge strip or strips corresponds to a transition between areas with and without openings.
Die Durchbrechungen sind bevorzugt im Wesentlichen gleichmäßig über den Hauptbereich verteilt. The perforations are preferably distributed essentially uniformly over the main area.
In weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich die erfindungsgemäße Zelle durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Das Flächengewicht des Stromkollektors ist in dem Hauptbereich gegenüber dem Flächen gewicht des Stromkollektors in dem freien Randstreifen um 5 % bis 80 % reduziert. b. Der Stromkollektor weist in dem Hauptbereich eine Lochfläche im Bereich von 5 % bis 80 % auf. c. Der Stromkollektor weist in dem Hauptbereich eine Zugfestigkeit von 20 N/mm2 bis 250 N/mm2 auf. In further particularly preferred embodiments, the cell according to the invention is characterized by at least one of the immediately following features a. to c. from: a. The weight per unit area of the current collector is reduced by 5% to 80% in the main area compared to the weight per unit area of the current collector in the free edge strip. b. In the main area, the current collector has a hole area in the range from 5% to 80%. c. The current collector has a tensile strength of 20 N / mm 2 to 250 N / mm 2 in the main area.
Die Bestimmung der Lochfläche, die häufig auch als freier Querschnitt bezeichnet wird, kann gemäß ISO 7806-1983 erfolgen. Die Zugfestigkeit des Stromkollektors in dem Hauptbereich ist gegenüber Stromkollektoren ohne die Durchbrechungen verringert. Ihre Bestimmung kann gemäß DIN EN ISO 527 Teil 3 erfolgen. The hole area, which is often referred to as the free cross section, can be determined in accordance with ISO 7806-1983. The tensile strength of the current collector in the main area is reduced compared to current collectors without the openings. It can be determined in accordance with DIN EN ISO 527 Part 3.
Es ist bevorzugt, dass der Anodenstromkollektor und der Kathodenstromkollektor bezüglich der Durchbrechungen gleich oderähnlich ausgebildetsind. Die jeweils erzielbaren Energiedichteverbes serungen addieren sich. Die erfindungsgemäße Zelle zeichnet sich daher in bevorzugten Ausfüh rungsformen weiterhin durch mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. bis c. aus: a. Der Hauptbereich des Anodenstromkollektors und der Hauptbereich des Kathodenstrom kollektors, bevorzugt der bandförmige Hauptbereich des Anodenstromkollektors und der bandförmige Hauptbereich des Kathodenstromkollektors,sind beide durch eine Vielzahl der Durchbrechungen gekennzeichnet. b. Die Zelle umfasst das Kontaktelement, insbesondere die Kontaktplatte, die auf dem einem der ersten Ränder oder Längsränder aufliegt, als erstes Kontaktelement oder als erste Kon taktplatte, sowie weiterhin ein zweites Kontaktelement, insbesondere eine zweite metalli sche Kontaktplatte, die auf dem anderen der ersten Ränder oder Längsränder aufliegt. c. Das zweite Kontaktelement, insbesondere die zweite Kontaktplatte, ist mit diesem anderen Längsrand durch Verschweißung verbunden. It is preferred that the anode current collector and the cathode current collector are designed to be identical or similar with regard to the openings. The energy density improvements that can be achieved in each case add up. The cell according to the invention is therefore characterized in preferred embodiments by at least one of the immediately following features a. to c. from: a. The main area of the anode current collector and the main area of the cathode current collector, preferably the band-shaped main area of the anode current collector and the band-shaped main area of the cathode current collector, are both covered by a plurality of Marked breakthroughs. b. The cell comprises the contact element, in particular the contact plate, which rests on one of the first edges or longitudinal edges, as a first contact element or as a first contact plate, and also a second contact element, in particular a second metallic contact plate, which is on the other of the first edges or longitudinal edges. c. The second contact element, in particular the second contact plate, is connected to this other longitudinal edge by welding.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind. Die Merkmale b. und c. können in Kombination aberauch ohne Merk mal a. realisiert sein. It is particularly preferred that the immediately above features a. to c. are realized in combination with each other. The features b. and c. can in combination but also without feature a. be realized.
Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen des mit den Durchbrechungen verse henen Stromkollektors sind unabhängig voneinander auf den Anodenstromkollektor und den Ka thodenstromkollektor anwendbar. The preferred configurations described above of the current collector verse with the openings can be used independently of one another on the anode current collector and the cathode current collector.
Die Verwendung perforierter oder auf sonstige Weise mit einer Vielzahl von Durchbrechungen verse hener Stromkollektoren ist bei Lithium-ionen-Zellen bislang nicht ernsthaft in Erwägung gezogen worden, da sich solche Stromkollektoren nur sehr schlecht elektrisch kontaktieren lassen. Wie ein gangserwähnt, erfolgt die elektrische Anbindu ng der Stromkollektoren vielfach überseparate elekt rische Ableiterfahnen. Eine zuverlässige Verschweißung dieser Ableiterfahnen an perforierte Strom kollektoren in industriellen Massenproduktionsprozessen ist ohne eine akzeptable Fehlerrate je doch nur schwer realisierbar. The use of perforated or otherwise with a large number of openings verse Hener current collectors has not yet been seriously considered in lithium-ion cells, since such current collectors can be electrically contacted only very poorly. As mentioned earlier, the electrical connection of the current collectors is often carried out via separate electrical arrester lugs. Reliable welding of these tabs to perforated current collectors in industrial mass production processes is difficult to achieve without an acceptable error rate.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die beschriebene Verschweißung der Stromkollektor ränder mit der oder den Kontaktelementen, insbesondere den Kontaktplatten, gelöst. Das erfin dungsgemäße Konzept ermöglicht den vollständigen Verzicht auf separate Ableiterfahnen und er möglicht so die Verwendung materialarmer, mit Durchbrechungen versehener Stromkollektoren. Insbesondere in Ausführungsformen, bei denen die freien Randstreifen der Stromkollektoren nicht mit Durchbrechungen versehen sind, kann eine Verschweißung zuverlässig mit ausgesprochen ge ringen Ausschussraten erfolgen. According to the invention, this problem is solved by the described welding of the current collector edges with the contact element or elements, in particular the contact plates. The concept according to the invention enables the complete waiver of separate arrester lugs and thus enables the use of low-material, current collectors provided with openings. Particularly in embodiments in which the free edge strips of the current collectors are not provided with openings, welding can be carried out reliably with extremely low reject rates.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die Ränder der Stromkollektoren, insbesondere die Längsränder der Stromkollektoren, mit der oben beschriebenen Stützschicht versehen sind und der Separator, wie beschrieben, gegenüber thermischen Belastungen verbessert ist. This applies in particular when the edges of the current collectors, in particular the longitudinal edges of the current collectors, are provided with the support layer described above and the separator, as described, is improved with respect to thermal loads.
Zu betonen ist, dass alle beschriebenen Ausführungsformen, bei denen der bevorzugt bandförmige Hauptbereich des mit dem Kontaktelement, insbesondere der Kontaktplatte, durch Verschweißung verbundenen Stromkollektors eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweist, auch völlig unabhängig von Merkmal j. aus Anspruch 1 realisierbar sind. Die Erfindung umfasst somit auch Zellen mit den Merkmalen a. bis i. des Anspruchs 1, bei denen der bevorzugt bandförmige Hauptbereich des mit dem Kontaktelement, insbesondere der Kontaktplatte, durch Verschweißung verbundenen Strom kollektorseine Vielzahl von Durchbrechungen aufweist, der Separator aber nicht zwingend das min destens eine anorganische Material, das seine Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Belas tungen verbessert, umfassen muss. It should be emphasized that all the described embodiments in which the preferably band-shaped main area of the current collector connected by welding to the contact element, in particular the contact plate, has a large number of perforations, also completely independent of feature j. from claim 1 can be realized. The invention thus also includes cells with the features a. until i. of claim 1, in which the preferably band-shaped main area of the current collector connected by welding to the contact element, in particular the contact plate, has a plurality of perforations, but the separator does not necessarily have the at least one inorganic material that improves its resistance to thermal loads, must include.
Sonstige bevorzugte Ausgestaltungen der Zelle Other preferred configurations of the cell
Bei der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle kann es sich um eine Knopfzelle handeln. Knopf zellen sind zylindrisch ausgebildet und weisen eine Höhe auf, die geringer als ihr Durchmesser ist. Bevorzugt liegt die Höhe im Bereich von 4 mm bis 15 mm. Weiteristes bevorzugt, dass die Knopfzelle einen Durchmesserim Bereich von 5 mm bis 25 mm aufweist. Knopfzellen eignen sich beispielsweise zur Versorgung von kleinen elektronischen Geräten wie Uhren, Hörgeräten und kabellosen Kopfhö rern mit elektrischer Energie. The lithium-ion cell according to the invention can be a button cell. Button cells are cylindrical and have a height that is less than their diameter. The height is preferably in the range from 4 mm to 15 mm. It is further preferred that the button cell have a diameter in the range of 5 mm to 25 mm. Button cells are suitable, for example, for supplying small electronic devices such as watches, hearing aids and wireless headphones with electrical energy.
Die Nennkapazität einer als Knopfzelle ausgebildeten erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle be trägt in der Regel bis zu 1500 mAh. Bevorzugt liegt die Nennkapazität im Bereich von 100 mAh bis 1000 mAh, besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 800 mAh. The nominal capacity of a lithium-ion cell according to the invention designed as a button cell is usually up to 1500 mAh. The nominal capacity is preferably in the range from 100 mAh to 1000 mAh, particularly preferably in the range from 100 to 800 mAh.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Lithium-Ionen-Zelle eine zylindrische Rundzelle. Zy lindrische Rundzellen weisen eine Höhe auf, die größer als ihr Durchmesser ist. Sie eignen sich ins besondere für Anwendungen im Automobilbereich, für E-Bikes oder auch für andere Anwendungen mit hohem Energiebedarf. The lithium-ion cell according to the invention is particularly preferably a cylindrical round cell. Cylindrical round cells have a height that is greater than their diameter. They are particularly suitable for applications in the automotive sector, for e-bikes or for other applications with high energy requirements.
Bevorzugt liegt die Höhe als Rundzelle ausgebildeter Lithium-Ionen-Zellen im Bereich von 15 mm bis 150 mm. Der Durchmesser der zylindrischen Rundzellen liegt bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 60 mm. Innerhalb dieser Bereiche sind Formfaktoren von beispielsweise 18 x 65 (Durchmesser mal Höhe in mm) oder 21 x 70 (Durchmesser mal Höhe in mm) besonders bevorzugt. Zylindrische Rundzellen mit diesen Formfaktoren eignen sich insbesondere zur Stromversorgung elektrischer Antriebe von Kraftfahrzeugen. The height of lithium-ion cells designed as round cells is preferably in the range from 15 mm to 150 mm. The diameter of the cylindrical round cells is preferably in the range from 10 mm to 60 mm. Within these ranges, form factors of, for example, 18 x 65 (diameter times height in mm) or 21 x 70 (diameter times height in mm) are particularly preferred. Cylindrical Round cells with these form factors are particularly suitable for powering electrical drives in motor vehicles.
Die Nennkapazität der als zylindrische Rundzelle ausgebildeten erfindungsgemäßen Lithium-Ionen- Zelle beträgt bevorzugt bis zu 90000 mAh. Mit dem Formfaktor von 21 x 70 hat die Zelle in einer Aus führungsform als Lithium-Ionen-Zelle bevorzugt eine Nennkapazität im Bereich von 1500 mAh bis 7000 mAh, besonders bevorzugt im Bereich von 3000 bis 5500 mAh. Mit dem Formfaktor von 18 x 65 hat die Zelle in einer Ausführungsform als Lithium-Ionen-Zelle bevorzugt eine Nennkapazität im Be reich von 1000 mAh bis 5000 mAh, besonders bevorzugt im Bereich von 2000 bis 4000 mAh. The nominal capacity of the lithium-ion cell according to the invention, designed as a cylindrical round cell, is preferably up to 90,000 mAh. With the form factor of 21 x 70, the cell in one embodiment as a lithium-ion cell preferably has a nominal capacity in the range from 1500 mAh to 7000 mAh, particularly preferably in the range from 3000 to 5500 mAh. With the form factor of 18 × 65, the cell in one embodiment as a lithium-ion cell preferably has a nominal capacity in the range from 1000 mAh to 5000 mAh, particularly preferably in the range from 2000 to 4000 mAh.
In der Europäischen Union sind Herstellerangaben zu Angaben betreffend die Nennkapazitäten von sekundären Batterien streng reglementiert. So haben etwa Angaben zur Nennkapazität von sekun dären Nickel-Cadmium-Batterien auf Messungen gemäß den Normen IEC/EN 61951-1 und IEC/EN 60622, Angaben zur Nennkapazität von sekundären Nickel-Metallhydrid-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61951-2, Angaben zur Nennkapazität von sekundären Lithium-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61960 und Angaben zur Nennkapazität von sekundären Blei- Säure-Batterien auf Messungen gemäß der Norm IEC/EN 61056-1 zu basieren. Jegliche Angaben zu Nennkapazitäten in der vorliegenden Anmeldung basieren bevorzugt ebenfalls auf diesen Normen. In the European Union, manufacturer information on information regarding the nominal capacities of secondary batteries is strictly regulated. For example, information on the nominal capacity of secondary nickel-cadmium batteries is based on measurements in accordance with the IEC / EN 61951-1 and IEC / EN 60622 standards, and information on the nominal capacity of secondary nickel-metal hydride batteries on measurements in accordance with the IEC / EN 61951 standard -2, data on the nominal capacity of secondary lithium batteries to be based on measurements according to the standard IEC / EN 61960 and data on the nominal capacity of secondary lead-acid batteries on measurements according to the standard IEC / EN 61056-1. Any information on nominal capacities in the present application is preferably also based on these standards.
Der Anodenstromkollektor, der Kathodenstromkollektor und der Separator sind in Ausführungsfor men, bei denen die erfindungsgemäße Zelle eine zylindrische Rundzelle ist, bevorzugt bandförmig ausgebildet und weisen bevorzugt die folgenden Dimensionen auf: The anode current collector, the cathode current collector and the separator are in Ausführungsfor men in which the cell according to the invention is a cylindrical round cell, preferably formed in the form of a band and preferably have the following dimensions:
Eine Länge im Bereich von 0,5 m bis 25 m Eine Breite im Bereich 30 mm bis 145 mm A length in the range from 0.5 m to 25 m. A width in the range 30 mm to 145 mm
Der freie Randstreifen, der sich entlang des ersten Längsrands erstreckt und der nicht mit dem Elekt rodenmaterial beladen ist, weist in diesen Fällen bevorzugt eine Breite von nicht mehr als 5000 pm auf. The free edge strip, which extends along the first longitudinal edge and which is not loaded with the electrode material, preferably has a width of not more than 5000 μm in these cases.
Im Falle einer zylindrischen Rundzelle mit dem Formfaktor 18 x 65 weisen die Stromkollektoren be vorzugt eine Breite von 56 mm bis 62 mm, bevorzugt von 60 mm, und eine Länge von nicht mehr als 1,5 m auf. In the case of a cylindrical round cell with a form factor of 18 × 65, the current collectors preferably have a width of 56 mm to 62 mm, preferably 60 mm, and a length of not more than 1.5 m.
Im Falle einer zylindrischen Rundzelle mit dem Formfaktor 21 x 70 weisen die Stromkollektoren be vorzugt eine Breite von 56 mm bis 68 mm, bevorzugt von 65 mm, und eine Länge von nicht mehr als 2,5 m auf. In the case of a cylindrical round cell with a form factor of 21 × 70, the current collectors preferably have a width of 56 mm to 68 mm, preferably 65 mm, and a length of not more than 2.5 m.
Die Funktion einer Lithium-Ionen-Zelle basiert darauf, dass ausreichend mobile Lithiumionen (mo biles Lithium) zur Verfügung stehen, um durch Wanderung zwischen der Anode und der Kathode bzw. der negativen Elektrode und der positiven Elektrode den abgegriffenen elektrischen Strom aus zugleichen. Unter mobilem Lithium im Rahmen dieser Anmeldung ist zu verstehen, dass das Lithium für Ein- und Auslagerungsvorgänge in den Elektroden im Rahmen der Entlade- und Ladevorgänge der Lithium-Ionen-Zelle zur Verfügung steht oder hierfür aktiviert werden kann. Im Zuge der ablau fenden Entlade- und Ladeprozesse einer Lithium-Ionen-Zelle kommt es im Laufe der Zeit zu Verlus ten an mobilem Lithium. Diese Verluste treten in Folge von verschiedenen, in der Regel nicht ver meidbaren Nebenreaktionen auf. Bereits im Rahmen des ersten Lade- und Entladezyklus einer Li thium-Ionen-Zelle kommt es zu Verlusten an mobilem Lithium. Bei diesem ersten Lade- und Ent ladezyklus bildet sich in der Regel eine Deckschicht auf der Oberfläche der elektrochemisch aktiven Komponenten an der negativen Elektrode. Diese Deckschicht wird als Solid Electrolyte Interphase (SEI) bezeichnet und besteht in der Regel vor allem aus Elektrolytzersetzungsprodukten sowie einer gewissen Menge an Lithium, das in dieser Schicht fest gebunden ist. The function of a lithium-ion cell is based on the fact that sufficient mobile lithium ions (mobile lithium) are available to compensate for the tapped electrical current by migrating between the anode and the cathode or the negative electrode and the positive electrode. In the context of this application, mobile lithium is to be understood as meaning that the lithium is available for storage and retrieval processes in the electrodes as part of the discharging and charging processes of the lithium-ion cell or can be activated for this purpose. In the course of the ongoing discharging and charging processes of a lithium-ion cell, mobile lithium is lost over time. These losses occur as a result of various, generally unavoidable side reactions. Even during the first charge and discharge cycle of a lithium-ion cell, mobile lithium is lost. During this first charge and discharge cycle, a cover layer is usually formed on the surface of the electrochemically active components on the negative electrode. This top layer is called Solid Electrolyte Interphase (SEI) and usually consists primarily of electrolyte decomposition products and a certain amount of lithium that is firmly bound in this layer.
Der mit diesem Vorgang verbundene Verlust an mobilem Lithium ist besonders stark bei Zellen, de ren Anode Anteile an Silizium aufweist. Um diese Verluste auszugleichen, zeichnet sich die erfin dungsgemäße Zelle in bevorzugten Ausführungsformen durch mindestenseinesderunmittelbarfol- genden Merkmale a. und b. aus: a. Die Zelle umfasst ein nicht von der positiven und/oder der negativen Elektrode um fasstes Depot an Lithium oder einem lithiumhaltigen Material, mit dem Verluste an mobilem Lithium in der Zelle während ihres Betriebs ausgeglichen werden können. b. Das Depot steht in Kontakt mit dem Elektrolyten der Zelle. c. Die Zelle verfügt über einen elektrischen Leiter und gegebenenfalls zusätzlich über einen steuerbaren Schalter, über den oder die das Depot elektrisch mit der positiven oder der ne gativen Elektrode verbunden werden kann. The loss of mobile lithium associated with this process is particularly severe in cells whose anode contains silicon. In order to compensate for these losses, the cell according to the invention is characterized in preferred embodiments by at least one of the immediately following features a. and b. from: a. The cell comprises a depot of lithium or a lithium-containing material which is not covered by the positive and / or negative electrode and can be used to compensate for losses of mobile lithium in the cell during its operation. b. The depot is in contact with the cell's electrolyte. c. The cell has an electrical conductor and, if necessary, also a controllable switch via which the depot can be electrically connected to the positive or the negative electrode.
Es ist besonders bevorzugt, dass die unmittelbar vorstehenden Merkmale a. bis c. in Kombination miteinander verwirklicht sind. It is particularly preferred that the immediately above features a. to c. are realized in combination with each other.
Besonders bevorzugt sind das Depot innerhalb des Gehäuses der erfindungsgemäßen Zelle ange ordnet und der elektrische Leiter, beispielsweise übereine geeignete Poldurchführung, aus dem Ge häuse herausgeführt, insbesondere bis zu einem elektrischen Kontakt, der von außerhalb des Ge häuses abgegriffen werden kann. The depot is particularly preferably arranged within the housing of the cell according to the invention and the electrical conductor, for example via a suitable pole bushing, is led out of the housing, in particular to an electrical contact that can be tapped from outside the housing.
Das elektrisch kontaktierbare Lithium-Depot ermöglicht es, den Elektroden der Zelle bei Bedarf Li thium zuzuführen oder aber zur Vermeidung von Lithium-Plating überschüssiges Lithium aus den Elektroden abzuführen. Hierzu kann das Lithium-Depot über den elektrischen Leiter gegen die ne gative oder gegen die positive Elektrode der Lithium-Ionen-Zelle geschaltet werden. Überschüssiges Lithium kann bei Bedarf dem Lithium-Depot zugeführt und dort abgelagert werden. Für diese An wendungsfälle können Mittel vorgesehen sein, die ein separates Monitoring der Einzelpotentiale von Anode und Kathode in der Zelle und/oder eine externe Überwachung der Zellbalance über elektro chemische Analysen wie DVA (differential voltage analysis) ermöglichen. The electrically contactable lithium depot makes it possible to supply lithium to the electrodes of the cell if necessary or to remove excess lithium from the electrodes to avoid lithium plating. For this purpose, the lithium depot can be switched against the negative or against the positive electrode of the lithium-ion cell via the electrical conductor. If necessary, excess lithium can be fed to the lithium depot and deposited there. For these use cases, means can be provided that enable separate monitoring of the individual potentials of the anode and cathode in the cell and / or external monitoring of the cell balance via electrochemical analyzes such as DVA (differential voltage analysis).
Der elektrische Leiter und das damit verbundene Lithium-Depot müssen gegen die positive und die negative Elektrode sowie damit elektrisch gekoppelten Komponenten der Zelle elektrisch isoliert sein. The electrical conductor and the associated lithium depot must be electrically insulated from the positive and negative electrodes and from components of the cell that are electrically coupled to them.
Bei dem Lithium oder dem lithiumhaltigen Material des Lithium-Depots kann es sich beispielsweise um metallisches Lithium, ein Lithium-Metall-Oxid, ein Lithium-Metall-Phosphat oder andere, dem Fachmann geläufige Materialien handeln. The lithium or the lithium-containing material of the lithium depot can be, for example, metallic lithium, a lithium metal oxide, a lithium metal phosphate or other materials familiar to the person skilled in the art.
Prismatische Ausführungsform Prismatic embodiment
Die vorliegende Erfindung umfasst auch Energiespeicherelemente, die einen von einem prismati schen Gehäuse umschlossenen Stapel aus mehreren Anoden und mehreren Kathoden umfassen. Insbesondere umfasst die Erfindung daher auch ein Energiespeicherelement mit den unmittelbar folgenden Merkmalen a. bis k.: a. Es umfasst eine Mehrzahl von Anoden und Kathoden, b. die Anoden umfassen jeweils einen Anodenstromkollektor und ein negatives Elektrodenma terial, c. die Anodenstromkollektoren weisen jeweils einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial beladen ist, sowie einen freien Randstreifen, der sich entlang eines Rands der Anodenstromkollektoren erstreckt und der nicht mit dem negativen Elektrodenmaterial beladen ist, auf, d. die Kathoden umfassen jeweils einen Kathodenstromkollektor und ein positives Elektroden material, e. die Kathodenstromkollektoren weisen jeweils einen Hauptbereich, der mit einer Schicht aus dem positiven Elektrodenmaterial be laden ist, sowie einen freien Randstreifen, der sich entlang eines Rands der Kathodenstromkollekt oren erstreckt und der nicht mit dem positiven Elektrodenmaterial beladen ist, auf, f. die Anoden und Kathoden liegen gestapelt vor, wobei die Anoden und die Kathoden in dem Stapel durch Separatoren getrennt sind, g. der Stapel ist von einem prismatischen Gehäuse umschlossen, h. die freien Randstreifen der Anodenstromkollektoren ragen aus einer Seite des Stapels und die freien Randstreifen der Kathodenstromkollektoren ragen aus einer anderen Seite des Stapels heraus, i. das Energiespeicherelement weist ein Kontakteiementauf, das mit den freien Randstreifen der Anodenstromkollektoren und/oder der Kathodenstromkollektoren in unmittelbarem Kontakt steht, und j. das Kontaktelement ist mit diesem Randstreifen durch Verschweißung verbunden, sowie dem zusätzlichen kennzeichnenden Merkmal k. der Separator umfasst mindestens ein anorganisches Material, das seine Widerstandsfähig keit gegenüber thermischen Belastungen verbessert. The present invention also encompasses energy storage elements which comprise a stack of a plurality of anodes and a plurality of cathodes enclosed by a prismatic housing. In particular, the invention therefore also comprises an energy storage element with the immediately following features a. to k .: a. It comprises a plurality of anodes and cathodes, b. the anodes each comprise an anode current collector and a negative electrode material, c. the anode current collectors each have a main region which is loaded with a layer of the negative electrode material, and a free edge strip which extends along one edge of the anode current collectors and which is not loaded with the negative electrode material, i. the cathodes each comprise a cathode current collector and a positive electrode material, e. the cathode current collectors each have a main area which is loaded with a layer of the positive electrode material, as well as a free edge strip which extends along one edge of the cathode current collectors and which is not loaded with the positive electrode material, f. the anodes and Cathodes are stacked, the anodes and the cathodes in the stack being separated by separators, g. the stack is enclosed in a prismatic housing, h. the free edge strips of the anode current collectors protrude from one side of the stack and the free edge strips of the cathode current collectors protrude from another side of the stack, i. the energy storage element has a contact element which is in direct contact with the free edge strips of the anode current collectors and / or the cathode current collectors, and j. the contact element is connected to this edge strip by welding, as well as the additional characteristic feature k. the separator comprises at least one inorganic material that improves its resistance to thermal loads.
Für die Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial, die Schicht aus dem positiven Elektroden material und die Stromkollektoren gelten die gleichen bevorzugten Weiterbildungen wie im Fall der erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Zelle. Gleiches gilt für den Elektrolyten, sofern das Energiespei cherelement einen aufweist, sowie insbesondere auch die Separatoren und das mindestens eine an organische Material. For the layer made of the negative electrode material, the layer made of the positive electrode material and the current collectors, the same preferred developments apply as in the case of the lithium-ion cell according to the invention. The same applies to the electrolyte, provided the energy storage element has one, and in particular also the separators and the at least one organic material.
Bevorzugt zeichnet sich das Energiespeicherelement durch mindestens eines der folgenden zusätz lichen Merkmale aus: a. Die Separatoren umfassen das mindestens eine anorganische Material lediglich bereichs weise. b. Die Separatoren weisen jeweils einen Randstreifen auf, in dem sie das mindestens eine an organische Material als Beschichtung und/oder als partikuläres Füllmaterial umfassen. c. Die Separatoren weisen einen Hauptbereich auf, in dem sie frei von dem mindestens einen anorganischen Material sind. The energy storage element is preferably characterized by at least one of the following additional features: a. The separators only include the at least one inorganic material in some areas. b. The separators each have an edge strip in which they comprise the at least one organic material as a coating and / or as a particulate filler material. c. The separators have a main area in which they are free of the at least one inorganic material.
Besonders bevorzugt umfasst das Energiespeicherelement zwei Kontaktelemente, von denen eines mit dem freien Randstreifen des Anodenstromkollektors und das andere mit dem freien Randstrei fen des Kathodenstromkollektors in unmittelbarem Kontakt steht, wobei die Kontaktelemente und die damit in Kontakt stehenden Ränder jeweils durch Verschweißung oder Verlötung verbunden sind. The energy storage element particularly preferably comprises two contact elements, one of which is in direct contact with the free edge strip of the anode current collector and the other with the free edge strip of the cathode current collector, the contact elements and the edges in contact with them being connected by welding or soldering.
Bei der Herstellung klassischer Elektrodenstapel aus mehreren Zellen wird zur Vermeidung einer Kurzschlussgefahr darauf geachtet, dass an entgegengesetzt gepolte Stromkollektoren angebun dene Ableiternicht miteinanderin Kontakt treten können. Da erfindungsgemäß die freien Randstrei fen der Anodenstromkollektoren aus einer Seite des Stapels und die freien Randstreifen der Katho denstromkollektoren aus einer anderen Seite des Stapels herausragen, ist die Gefahr eines Kurz schlusses in Folge eines direkten Kontakts entgegengesetzt gepolter Stromkollektoren bei dem er findungsgemäßen Energiespeichereiement im Normalfall nicht gegeben. Die Kontaktelemente dienen als zentraler Leiter für die Ströme, die beim Betrieb des Energiespei cherelements aus den Elektroden entnommen werden. Hierbei können die freien Randstreifen der Anodenstromkollektoren und der Kathodenstromkollektoren im Idealfall über ihre gesamte Länge an die Kontaktelemente angebunden werden. Eine solche elektrische Kontaktierung senkt den In nenwiderstand innerhalb des erfindungsgemäßen Energiespeicherelements signifikant. Die be schriebene Anordnung kann das Auftreten großer Ströme somit sehr gut abfangen. Mit minimiertem Innenwiderstand reduzieren sich thermische Verluste bei hohen Strömen. Zudem wird die Abfuhr thermischer Energie aus dem Verbundkörper begünstigt. Bei starken Belastungen tritt somit eine Erwärmung nicht lokal sondern gleichmäßig verteilt auf. In the production of classic electrode stacks from several cells, care is taken to avoid the risk of short circuits that arresters connected to oppositely polarized current collectors cannot come into contact with one another. Since, according to the invention, the free edge strips of the anode current collectors protrude from one side of the stack and the free edge strips of the cathode current collectors protrude from another side of the stack, there is no risk of a short circuit as a result of direct contact with oppositely polarized current collectors in which the energy storage element according to the invention is normally not given. The contact elements serve as the central conductor for the currents that are taken from the electrodes during operation of the Energiespei cherelements. In the ideal case, the free edge strips of the anode current collectors and the cathode current collectors can be connected to the contact elements over their entire length. Such electrical contact significantly reduces the internal resistance within the energy storage element according to the invention. The arrangement described can therefore intercept the occurrence of large currents very well. With minimized internal resistance, thermal losses are reduced at high currents. In addition, the dissipation of thermal energy from the composite body is promoted. In the case of heavy loads, warming does not occur locally but is evenly distributed.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Energiespeicherelement mindestens eines der unmittelbar folgenden Merkmale a. und b. auf: a. Als Kontaktelemente werden Metallbleche mit einer Dicke im Bereich von 50 pm bis 600 pm, bevorzugt 150 - 350 pm, eingesetzt. b. Die Kontaktelemente, insbesondere die Metallbleche, bestehen aus legiertem oder unlegier tem Aluminium, Titan, Nickel oder Kupfer, oder aus Edelstahl (beispielsweise vom Typ 1.4303 oder 1.4304) oder aus vernickeltem Stahl. In some preferred embodiments, the energy storage element according to the invention has at least one of the immediately following features a. and b. on: a. Metal sheets with a thickness in the range from 50 μm to 600 μm, preferably 150-350 μm, are used as contact elements. b. The contact elements, in particular the metal sheets, consist of alloyed or unalloyed aluminum, titanium, nickel or copper, or of stainless steel (for example of type 1.4303 or 1.4304) or of nickel-plated steel.
Vorzugsweise sind die unmittelbar vorgenannten Merkmale a. und b. in Kombination miteinander realisiert. The features mentioned immediately above are preferably a. and b. realized in combination with each other.
Form und Dimension der Kontaktelemente, insbesondere der Metallbleche, sind bevorzugt an die Form und Dimension der Seiten des Verbundkörpers, aus denen die freien Randstreifen der Strom kollektoren angepasst. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Kontaktelemente rechteckig ausgebildet. Sie lassen sich damit auch gut in ein Gehäuse mit einer prismatischen Grundform in tegrieren. The shape and dimensions of the contact elements, in particular the metal sheets, are preferably adapted to the shape and dimensions of the sides of the composite body from which the free edge strips of the current collectors are adapted. In preferred embodiments, the contact elements are rectangular. They can therefore also be easily integrated into a housing with a prismatic basic shape.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen zeichnet sich das erfindungsgemäße Energiespei cherelement durch mindestens eines der folgenden Merkmale aus: a. Es umfasst mindestens ein Kontaktelement, das ein L-förmiges Profil aufweist. b. Es umfasst mindestens ein Kontaktelement, das ein U-förmiges Profil aufweist. c. Das Kontaktelement weist einen abgewinkelten Befestigungsfortsatz auf. Vorzugsweise sind die unmittelbar vorgenannten Merkmale a. und c. oder b. und c. miteinander kombiniert. In particularly preferred embodiments, the energy storage element according to the invention is characterized by at least one of the following features: a. It comprises at least one contact element which has an L-shaped profile. b. It comprises at least one contact element which has a U-shaped profile. c. The contact element has an angled fastening extension. The features mentioned immediately above are preferably a. and c. or b. and c. combined with each other.
Bei Verwendung des Kontaktelements mit L-förmigem Profil kann die Kontaktierung herausragen der Randstreifen der jeweiligen Stromkollektoren an zwei Seiten des Verbundkörpers erfolgen. Hierzu ist es natürlich zunächst erforderlich, dass die Elektroden des Verbundkörpers zwei Ränder umfassen, an denen ihre Stromkollektoren einen freien Randbereich aufweisen, der einer Ver schweißung oder einer Verlötung zugänglich ist. When using the contact element with an L-shaped profile, the contacting of the edge strips of the respective current collectors can be made on two sides of the composite body. To this end, it is of course first necessary for the electrodes of the composite body to encompass two edges on which their current collectors have a free edge area that is accessible for welding or soldering.
Bei einem U-förmigen Profil des Kontaktelements ist es in der Regel vorgesehen, dass die Kontaktie rung der herausragenden Ränder der jeweiligen Stromkollektoren an drei Seiten des Verbundkör pers erfolgt. Der gegebenenfalls vorgesehene abgewinkelte Befestigungsfortsatz ist in erster Linie für eine Befestigung des Kontaktelements an dem Gehäuse der Energiespeicherelements vorgese hen, sofern das Kontaktelement nicht selbstTeil des Gehäuses ist. Weiterhin kann der Befestigungs fortsatz auch Teil eines L-förmigen oder U-förmigen Profils sein und beispielsweise auch zur Anbrin gung eines Polbolzens dienen. In the case of a U-shaped profile of the contact element, it is usually provided that the contacting of the protruding edges of the respective current collectors takes place on three sides of the composite body. The optionally provided angled fastening extension is primarily intended for fastening the contact element to the housing of the energy storage element, provided that the contact element is not itself part of the housing. Furthermore, the attachment extension can also be part of an L-shaped or U-shaped profile and, for example, also serve to attach a pole bolt.
Je mehrSeiten des Verbundkörpers mit Kontaktelementen versehen sind, desto besser sind die Ent- wärmungseigenschaften des Energiespeicherelements. The more sides of the composite body are provided with contact elements, the better the heat dissipation properties of the energy storage element.
Das prismatische Gehäuse des Energiespeicherelements umschließt den Verbundkörper bevorzugt gas- und/oder flüssigkeitsdicht. Es wird bevorzugt aus zwei oder mehr metallischen Gehäuseteilen gebildet, beispielsweise wie es in der EP 3117471 Bl beschrieben ist. Die Gehäuseteile können bei spielsweise durch Verschweißung miteinander verbunden werden. The prismatic housing of the energy storage element encloses the composite body preferably in a gas-tight and / or liquid-tight manner. It is preferably formed from two or more metallic housing parts, for example as described in EP 3117471 B1. The housing parts can be connected to one another by welding, for example.
Das Gehäuse umfasst vorzugsweise mehrere rechteckige Seitenwände sowie einen polygonalen, insbesondere rechteckigen Boden und ein polygonales, insbesondere rechteckiges Oberteil. Insbe sondere das Oberteil und der Boden können auch als Kontaktelemente, bevorzugt als Kontaktplat ten, dienen. The housing preferably comprises a plurality of rectangular side walls and a polygonal, in particular rectangular base and a polygonal, in particular rectangular upper part. In particular, the upper part and the bottom can also serve as contact elements, preferably as Kontaktplat th.
Darstellung bevorzugter Ausführungsformen Representation of preferred embodiments
Weitere Merkmale der Erfindung sowie aus der Erfindung resultierende Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen. Die nachfolgend be schriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Further features of the invention and advantages resulting from the invention emerge from the drawings and from the following description of the drawings. The embodiments described below be only for explanation and better understanding of the Invention and are in no way to be understood as limiting.
In den Zeichnungen zeigen schematisch In the drawings show schematically
Fig. 1 eine Draufsicht eines Stromkollektors in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung,Fig. 1 is a plan view of a current collector in an embodiment according to the invention,
Fig. 2 eine geschnittene Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Strom ko llektors, Fig. 2 is a sectional view of the current ko llektors shown in Fig. 1,
Fig.3 eine Draufsicht einer Anode, die zu einem Elektroden-Separator-Verbund in Form eines Wickels verarbeitet werden kann, 3 shows a plan view of an anode which can be processed into an electrode-separator assembly in the form of a coil,
Fig. 4 eine geschnittene Ansicht der in Fig. 3 dargestellten Anode, Fig. 4 is a sectional view of the anode shown in Fig. 3,
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen unter Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Anode gefertig ten Elektroden-Separator-Verbund, Fig. 5 is a plan view of an electrode-separator composite manufactured using the anode shown in Fig. 3,
Fig. 6 eine geschnittene Ansicht des in Fig. 5 dargestellten Elektroden-Separator-Verbunds,6 shows a sectional view of the electrode-separator assembly shown in FIG. 5,
Fig. 7 eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle, 7 shows a sectional view of an embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell,
Fig. 8 eine geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle, 8 shows a sectional view of a further embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell,
Fig. 9 eine geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle, 9 shows a sectional view of a further embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell,
Fig. 10 eine geschnittene Ansicht einerweiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle, und 10 shows a sectional view of a further embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell, and FIG
Fig. 11 eine geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle in Form einer zylindrischen Rundzelle. 11 shows a sectional view of a further embodiment of a cell according to the invention in the form of a cylindrical round cell.
Fig. 12 eine Illustration eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der in Fig. 11 dargestellten Zelle. FIG. 12 shows an illustration of a method according to the invention for producing the cell shown in FIG. 11.
Fig. 1 und Fig. 2 veranschaulichen das Design eines Stromkollektors 110, der in einer erfindungsge mäßen Zelle verwendet werden kann. Bei Fig. 2 handelt es sich um einen Schnitt entlang Si. Der Stromkollektor 110 umfasst eine Vielzahl Durchbrechungen 111, bei denen es sich um rechteckige Löcher handelt. Der Bereich 110a ist durch die Durchbrechungen 111 gekennzeichnet, wohingegen sich im Bereich 110b entlang des Längsrands llOe keine Durchbrechungen finden. Der Stromkollek tor 110 weist daher im Bereich 110a ein deutlich geringeres Flächengewicht auf als im Bereich 110b. FIGS. 1 and 2 illustrate the design of a current collector 110 that can be used in a cell according to the invention. FIG. 2 is a section along Si. The current collector 110 comprises a plurality of perforations 111, which are rectangular holes. The area 110a is characterized by the perforations 111, on the other hand there are no openings in the region 110b along the longitudinal edge 110e. The current collector 110 therefore has a significantly lower weight per unit area in the area 110a than in the area 110b.
Fig. 3 und Fig. 4 veranschaulichen eine Anode 120, die unter beidseitigem Auftrag eines negativen Elektrodenmaterials 123 auf den in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Stromkollektor 110 gefertigt wurde. Bei Fig.5 handelt es sich um einen Schnitt entlang S2. Der Stromkollektor 110 weist nun einen bandförmigen Hauptbereich 122 auf, der mit einer Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial 123 beladen ist, sowie einen freien Randstreifen 121, der sich entlang des Längsrands llOe erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 123 beladen ist. Das Elektrodenmaterial 123 befüllt dar über hinaus auch die Durchbrechungen 111. FIGS. 3 and 4 illustrate an anode 120 which was manufactured with a negative electrode material 123 applied to both sides of the current collector 110 shown in FIGS. 2 and 3. FIG. 5 is a section along S 2 . The current collector 110 now has a band-shaped main region 122 which is loaded with a layer of the negative electrode material 123, as well as a free edge strip 121 which extends along the longitudinal edge 110e and which is not loaded with the electrode material 123. The electrode material 123 also fills the openings 111.
Fig. 5 und Fig. 6 veranschaulichen einen Elektroden-Separator-Verbund 104, der unter Verwendung der in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten Anode 120 gefertigt wurde. Daneben umfasst er die Kathode 115 sowie die Separatoren 118 und 119. Bei Fig. 6 handelt es sich um einen Schnitt entlang S3. Die Ka thode 115 baut auf dem gleichen Stromkollektordesign auf wie die Anode 120. Bevorzugt unter scheiden sich die Stromkollektoren 110 und 115 von Anode 120 und Kathode 130 nur durch die je weilige Materialauswahl. So umfasst der Strom ko llektor 115 der Kathode 130 einen bandförmigen Hauptbereich 116, der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial 125 beladen ist, sowie einen freien Randstreifen 117, der sich entlang des Längsrands 115e erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 125 beladen ist. Durch spiralförmiges Aufwickeln kann der Elektroden-Separa- tor-Verbund 104 in einen Wickel überführt werden, wie er in einer erfindungsgemäßen Zelle enthal ten sein kann. FIGS. 5 and 6 illustrate an electrode-separator composite 104 which was produced using the anode 120 illustrated in FIGS. 4 and 5. In addition, it comprises the cathode 115 and the separators 118 and 119. FIG. 6 is a section along S 3 . The cathode 115 is based on the same current collector design as the anode 120. The current collectors 110 and 115 of the anode 120 and cathode 130 preferably differ only through the respective choice of material. The current collector 115 of the cathode 130 thus comprises a band-shaped main region 116 which is loaded with a layer of positive electrode material 125 and a free edge strip 117 which extends along the longitudinal edge 115e and which is not loaded with the electrode material 125. The electrode-separator assembly 104 can be converted into a coil by means of spiral winding, as can be contained in a cell according to the invention.
Die freien Randstreifen 117 und 121 sind in einigen bevorzugten Ausführungsformen beidseitig so wie zumindest bereichsweise mit einem elektrisch isolierenden Stützmaterial, beispielsweise mit ei nem keramischen Material wie Silizium- oder Aluminiumoxid, beschichtet. In some preferred embodiments, the free edge strips 117 and 121 are coated on both sides and at least in regions with an electrically insulating support material, for example with a ceramic material such as silicon oxide or aluminum oxide.
In Fig. 7 ist ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zwei ten Gehäuseteil 102 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 einge schlossen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Gehäuseteil 101 weist einen kreis runden Boden 101a, einen hohlzylindrischen Mantel 101b und eine dem Boden 101a gegenüberlie gende kreisrunde Öffnung auf. Das Gehäuseteil 102 dient zum Verschließen der kreisrunden Öffnung und ist als kreisrunder Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form ei nes zylindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor. Im Falle prismatischer Ausführungsformen könnte ein Schnitt durch ein Energiespeicherelement exakt gleich aussehen. Das Gehäuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Boden 101a, eine rechteckige Seitenwand 101b und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine rechteckige Öff nung, das Gehäuseteil 102 wäre zum Verschließen der rechteckigen Öffnung als rechteckiger Deckel ausgebildet. Und das Bezugszeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Ver- bund in zylindrischer Form sondern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator- Verbünden bezeichnen. In Fig. 7, a cell 100 with a housing made of a first housing part 101 and a two-th housing part 102 is shown. The electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing. The housing is generally cylindrical, the housing part 101 has a circular base 101a, a hollow cylindrical jacket 101b and a circular opening opposite the base 101a. The housing part 102 is used to close the circular opening and is designed as a circular cover. The electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindrical roll with two end faces. In the case of prismatic embodiments, a section through an energy storage element could look exactly the same. In this case, the housing part 101 would have a rectangular base 101a, a rectangular side wall 101b and a rectangular cross-section and a rectangular opening; the housing part 102 would be designed as a rectangular cover to close the rectangular opening. And in this case, the reference number 104 would not designate an electrode-separator assembly in a cylindrical shape, but a stack of several identical electrode-separator assemblies.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 und ist mit diesem min destens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung ver bunden. Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht über seine gesamte Länge in unmit telbarem Kontakt mit der Kontaktplatte 105 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden. The free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face. The edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the ground over its entire length 101a of the housing part 101 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding. The edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the contact plate 105 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length.
Die Kontaktplatte 105 ist wiederum über den elektrischen Leiter 107 elektrisch mit dem Gehäuseteil 102 verbunden. Bevorzugt besteht zwischen dem Leiter 107 und der Kontaktplatte 105 auf dereinen und dem Leiter 107 und dem Gehäuseteil 102 auf der anderen Seite jeweils eine Schweißverbindung. The contact plate 105 is in turn electrically connected to the housing part 102 via the electrical conductor 107. There is preferably a welded connection between the conductor 107 and the contact plate 105 on one side and the conductor 107 and the housing part 102 on the other.
Der besseren Übersicht wegen sind - abgesehen von den Stromkollektoren 110 und 115 - keine wei teren Komponenten des Elektroden-Separator-Verbunds 104 (insbesondere Separatoren und Elekt rodenmaterialien) dargestellt. For the sake of a better overview - apart from the current collectors 110 and 115 - no further components of the electrode-separator assembly 104 (in particular separators and electrode materials) are shown.
Die Gehäuseteile 101 und 102 sind durch die Dichtung 103 elektrisch voneinander isoliert. Das Ge häuse ist beispielsweise durch Bördelung verschlossen. Das Gehäuseteil 101 bildet den Minuspol und das Gehäuseteil 102 den Pluspol der Zelle 100. The housing parts 101 and 102 are electrically isolated from one another by the seal 103. The housing is closed, for example, by flanging. The housing part 101 forms the negative pole and the housing part 102 the positive pole of the cell 100.
In Fig. 8 ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 eingeschlos sen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Gehäuseteil 101 weist einen kreisrunden Boden 101a, einen hohlzylindrischen Mantel 101b und eine dem Boden 101a gegenüberliegende kreisrunde Öffnung auf. Das Gehäuseteil 102 dient zum Verschließen der kreisrunden Öffnung und ist als kreisrunder Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form eines zy lindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor. 8 shows a cell 100 with a housing made up of a first housing part 101 and a second housing part 102. The electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing. The housing is cylindrical overall, the housing part 101 has a circular base 101a, a hollow cylindrical jacket 101b and a circular opening opposite the base 101a. The housing part 102 is used to close the circular opening and is designed as a circular cover. The electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindrical winding with two end faces.
Im Falle prismatischer Ausführungsformen könnte ein Schnitt durch ein Energiespeicherelement exakt gleich aussehen. Das Gehäuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Boden 101a, eine rechteckige Seitenwand 101b und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine rechteckige Öff nung, das Gehäuseteil 102 wäre zum Verschließen der rechteckigen Öffnung als rechteckiger Deckel ausgebildet. Und das Bezugszeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Ver bund in zylindrischer Form sondern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator- Verbünden bezeichnen. In the case of prismatic embodiments, a section through an energy storage element could look exactly the same. In this case, the housing part 101 would have a rectangular base 101a, a rectangular side wall 101b and a rectangular cross-section and a rectangular opening; the housing part 102 would be designed as a rectangular cover to close the rectangular opening. And the reference number 104 would in this case not designate an electrode-separator composite in a cylindrical shape, but rather a stack of several identical electrode-separator composite.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 und ist mit diesem min destens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung ver bunden. Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht über seine gesamte Länge in unmit telbarem Kontakt mit der Kontaktplatte 105 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden. The free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face. The edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the ground over its entire length 101a of the housing part 101 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding. The edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the contact plate 105 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length.
Die Kontaktplatte 105 ist unmittelbar mit dem metallischen Polbolzen 108 verbunden, bevorzugt verschweißt. Dieser ist durch eine Durchbrechung in dem Gehäuseteil 102 aus dem Gehäuse heraus geführt und mittels der elektrischen Isolierung 106 gegen das Gehäuseteil 102 isoliert. Der Polbolzen 108 und die elektrische Isolierung 106 bilden gemeinsam eine Poldurchführung. The contact plate 105 is directly connected to the metallic pole bolt 108, preferably welded. This is guided out of the housing through an opening in the housing part 102 and isolated from the housing part 102 by means of the electrical insulation 106. The pole bolt 108 and the electrical insulation 106 together form a pole bushing.
Der besseren Übersicht wegen sind - abgesehen von den Stromkollektoren 110 und 115 - auch hier keine weiteren Komponenten des Elektroden-Separator-Verbunds 104 (insbesondere Separatoren und Elektrodenmaterialien) dargestellt. For the sake of clarity, apart from the current collectors 110 and 115, no further components of the electrode-separator assembly 104 (in particular separators and electrode materials) are shown here either.
Im Boden 101a findet sich ein beispielsweise mittels Verlötung, Verschweißung oder Verklebung ver schlossenes Loch 109, das beispielsweise zur Einbringung von Elektrolyt in das Gehäuse dienen kann. Alternativ hätte man zum gleichen Zweck auch ein Loch in das Gehäuseteil 102 einbringen können. Das Gehäuseteil 102 ist in die kreisrunde Öffnung des Gehäuseteils 101 eingeschweißt. Die Gehäuse teile 101 und 102 weisen also dieselbe Polarität auf und bilden den Minuspol der Zelle 100. Der Pol bolzen 108 bildet den Pluspol der Zelle 100. In the bottom 101a there is a hole 109 closed, for example by means of soldering, welding or gluing, which can be used, for example, to introduce electrolyte into the housing. Alternatively, a hole could have been made in the housing part 102 for the same purpose. The housing part 102 is welded into the circular opening of the housing part 101. The housing parts 101 and 102 thus have the same polarity and form the negative pole of the cell 100. The pole bolt 108 forms the positive pole of the cell 100.
In Fig. 9 ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 eingeschlos sen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Gehäuseteil 101 weist einen kreisrunden Boden 101a, einen hohlzylindrischen Mantel 101b und eine dem Boden 101a gegenüberliegende kreisrunde Öffnung auf. Das Gehäuseteil 102 dient zum Verschließen der kreisrunden Öffnung und ist als kreisrunder Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form eines zy lindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor. 9 shows a cell 100 with a housing made up of a first housing part 101 and a second housing part 102. The electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing. The housing is cylindrical overall, the housing part 101 has a circular base 101a, a hollow cylindrical jacket 101b and a circular opening opposite the base 101a. The housing part 102 is used to close the circular opening and is designed as a circular cover. The electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindrical winding with two end faces.
Im Falle prismatischer Ausführungsformen könnte ein Schnitt durch ein Energiespeicherelement exakt gleich aussehen. Das Gehäuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Boden 101a, eine rechteckige Seitenwand 101b und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine rechteckige Öff nung, das Gehäuseteil 102 wäre zum Verschließen der rechteckigen Öffnung als rechteckiger Deckel ausgebildet. Und das Bezugszeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Ver bund in zylindrischer Form sondern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator- Verbünden bezeichnen. In the case of prismatic embodiments, a section through an energy storage element could look exactly the same. In this case, the housing part 101 would have a rectangular base 101a, a rectangular side wall 101b and a rectangular cross-section and a rectangular opening; the housing part 102 would be designed as a rectangular cover to close the rectangular opening. And the reference number 104 would in this case not designate an electrode-separator composite in a cylindrical shape, but rather a stack of several identical electrode-separator composite.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 und ist mit diesem min destens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung ver bunden. Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht Über seine gesamte Länge in unmit telbarem Kontakt mit dem Gehäuseteil 102 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden. The free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face. The edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the ground over its entire length 101a of the housing part 101 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding. The edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the housing part 102 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length.
Der besseren Übersicht wegen sind - abgesehen von den Stromkollektoren 110 und 115 - auch hier keine weiteren Komponenten des Elektroden-Separator-Verbunds 104 (insbesondere Separatoren und Elektrodenmaterialien) dargestellt. Im Boden 101a findet sich ein beispielsweise mittels Verlötung, Verschweißung oder Verklebung ver schlossenes Loch 109, das beispielsweise zur Einbringung von Elektrolyt in das Gehäuse dienen kann. Ein weiteres Loch 109, das dem gleichen Zweck dienen kann, findet sich hier im Gehäuseteil 102. Bevorzugt wird diese mit dem Überdruckventil 141 verschlossen, das auf das Gehäuseteil 102 beispielsweise aufgeschweißt werden kann. For the sake of clarity, apart from the current collectors 110 and 115, no further components of the electrode-separator assembly 104 (in particular separators and electrode materials) are shown here either. In the bottom 101a there is a hole 109 closed, for example by means of soldering, welding or gluing, which can be used, for example, to introduce electrolyte into the housing. Another hole 109, which can serve the same purpose, is found here in the housing part 102. This is preferably closed with the pressure relief valve 141, which can be welded onto the housing part 102, for example.
Die dargestellten Löcher 109 werden in der Regel nicht beide benötigt. In vielen Fällen weist die in Fig. 9 dargestellte Zelle 100 daher nur eines der beiden Löcher auf. The holes 109 shown are generally not both required. In many cases, the cell 100 shown in FIG. 9 therefore has only one of the two holes.
Die Gehäuseteile 101 und 102 sind durch die Dichtung 103 elektrisch voneinander isoliert. Das Ge häuse ist beispielsweise durch Bördelung verschlossen. Das Gehäuseteil 101 bildet den Minuspol und das Gehäuseteil 102 den Pluspol der Zelle 100. The housing parts 101 and 102 are electrically isolated from one another by the seal 103. The housing is closed, for example, by flanging. The housing part 101 forms the negative pole and the housing part 102 the positive pole of the cell 100.
In Fig. 10 ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102 und einem dritten Gehäuseteil 155 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden- Separator-Verbund 104 eingeschlossen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Ge häuseteil 101 ist hierbei als Hohlzylinder mit zwei stirnseitigen kreisrunden Öffnungen ausgebildet. Die Gehäuseteile 102 und 155 dienen zum Verschließen der kreisrunden Öffnungen und sind als kreisrunde Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form eines zylindri schen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor. 10 shows a cell 100 with a housing made up of a first housing part 101 and a second housing part 102 and a third housing part 155. The electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing. The housing is overall cylindrical, the Ge housing part 101 is designed as a hollow cylinder with two end-face circular openings. The housing parts 102 and 155 serve to close the circular openings and are designed as circular covers. The electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindri's winding with two end faces.
Im Falle prismatischer Ausführungsformen könnte ein Schnitt durch ein Energiespeicherelement exakt gleich aussehen. Das Gehäuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Querschnitt sowie zwei rechteckige Öffnungen, die Gehäuseteile 102 und 155 wären zum Verschließen der recht eckigen Öffnungen als rechteckige Deckel ausgebildet. Und das Bezugszeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Verbund in zylindrischer Form sondern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator-Verbünden bezeichnen. In the case of prismatic embodiments, a section through an energy storage element could look exactly the same. The housing part 101 would in this case have a rectangular cross section and two rectangular openings, the housing parts 102 and 155 would be designed as rectangular covers to close the rectangular openings. And in this case, the reference number 104 would not designate an electrode-separator assembly in a cylindrical shape, but a stack of several identical electrode-separator assemblies.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Gehäuseteil 155 und ist mit diesem mindestens über meh rere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden. Das Gehäu- seteil 155 fungiert damit auch als Kontaktplatte im Sinne der Erfindung. Der Rand 115e des Katho denstromkollektors 115 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit der Kontakt platte 105 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden. The free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face. The edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the housing part over its entire length 155 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding. The housing seteil 155 thus also functions as a contact plate within the meaning of the invention. The edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the contact plate 105 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length.
Der besseren Übersicht wegen sind - abgesehen von den Stromkollektoren 110 und 115 - auch hier keine weiteren Komponenten des Elektroden-Separator-Verbunds 104 (insbesondere Separatoren und Elektrodenmaterialien) dargestellt. For the sake of clarity, apart from the current collectors 110 and 115, no further components of the electrode-separator assembly 104 (in particular separators and electrode materials) are shown here either.
Die Kontaktplatte 105 ist unmittelbar mit dem metallischen Polbolzen 108 verbunden, bevorzugt verschweißt. Dieser ist durch eine Durchbrechung in dem Gehäuseteil 102 aus dem Gehäuse heraus geführt und mittels der elektrischen Isolierung 106 gegen das Gehäuseteil 102 isoliert. Der Polbolzen 108 und die elektrische Isolierung 106 bilden gemeinsam eine Poldurchführung. The contact plate 105 is directly connected to the metallic pole bolt 108, preferably welded. This is guided out of the housing through an opening in the housing part 102 and isolated from the housing part 102 by means of the electrical insulation 106. The pole bolt 108 and the electrical insulation 106 together form a pole bushing.
Im Gehäuseteil 102 findet sich ein beispielsweise mittels Verlötung, Verschweißung oderVerklebung verschlossenes Loch 109, das beispielsweise zur Einbringung von Elektrolyt in das Gehäuse dienen kann. Alternativ hätte man zum gleichen Zweck auch ein Loch in das Gehäuseteil 155 einbringen können. In the housing part 102 there is a hole 109 closed, for example by means of soldering, welding or gluing, which can be used, for example, to introduce electrolyte into the housing. Alternatively, a hole could have been made in the housing part 155 for the same purpose.
Die Gehäuseteile 102 und 155 sind in die kreisrunden Öffnungen des Gehäuseteils 101 einge schweißt. Die Gehäuseteile 101, 102 und 155 weisen also dieselbe Polarität auf und bilden den Mi nuspol der Zelle 100. Der Polbolzen 108 bildet den Pluspol der Zelle 100. The housing parts 102 and 155 are welded into the circular openings of the housing part 101. The housing parts 101, 102 and 155 thus have the same polarity and form the negative pole of the cell 100. The pole bolt 108 forms the positive pole of the cell 100.
In Fig. 11 ist eine Zelle 100 mit einem Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102 dargestellt. In dem Gehäuse ist der Elektroden-Separator-Verbund 104 eingeschlos sen. Das Gehäuse ist insgesamt zylindrisch ausgebildet, das Gehäuseteil 101 weist einen kreisrunden Boden 101a, einen hohlzylindrischen Mantel 101b und eine dem Boden 101a gegenüberliegende kreisrunde Öffnung auf. Das Gehäuseteil 102 dient zum Verschließen der kreisrunden Öffnung und ist als kreisrunder Deckel ausgebildet. Der Elektroden-Separator-Verbund 104 liegt in Form eines zy lindrischen Wickels mit zwei endständigen Stirnseiten vor. 11 shows a cell 100 with a housing made up of a first housing part 101 and a second housing part 102. The electrode-separator assembly 104 is enclosed in the housing. The housing is cylindrical overall, the housing part 101 has a circular base 101a, a hollow cylindrical jacket 101b and a circular opening opposite the base 101a. The housing part 102 is used to close the circular opening and is designed as a circular cover. The electrode-separator assembly 104 is in the form of a cylindrical winding with two end faces.
Im Falle prismatischer Ausführungsformen könnte ein Schnitt durch ein Energiespeicherelement exakt gleich aussehen. Das Gehäuseteil 101 hätte in diesem Falle einen rechteckigen Boden 101a, eine rechteckige Seitenwand 101b und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine rechteckige Öff nung, das Gehäuseteil 102 wäre zum Verschließen der rechteckigen Öffnung als rechteckiger Deckel ausgebildet. Und das Bezugszeichen 104 würde in diesem Fall keinen Elektroden-Separator-Ver- bund in zylindrischer Form sondern einen Stapel aus mehreren identischen Elektroden-Separator- Verbünden bezeichnen. In the case of prismatic embodiments, a section through an energy storage element could look exactly the same. In this case, the housing part 101 would have a rectangular bottom 101a, a rectangular side wall 101b and a rectangular cross-section and a rectangular opening, the housing part 102 would be designed as a rectangular cover to close the rectangular opening. And in this case, the reference number 104 would not designate an electrode-separator assembly in a cylindrical shape, but a stack of several identical electrode-separator assemblies.
Aus einer Stirnseite des Elektroden-Separator-Verbunds 104 tritt der freie Randstreifen 121 eines Anodenstromkollektors 110 aus, aus der anderen Stirnseite der freie Randstreifen 117 eines Katho denstromkollektors 115. Der Rand llOe des Anodenstromkollektors 110 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 und ist mit diesem min destens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung ver bunden. The free edge strip 121 of an anode current collector 110 emerges from one end face of the electrode-separator assembly 104, and the free edge strip 117 of a cathode current collector 115 exits from the other end face. The edge 11Oe of the anode current collector 110 is in direct contact with the ground over its entire length 101a of the housing part 101 and is connected to this at least over several sections, preferably over its entire length, by welding.
Der Rand 115e des Kathodenstromkollektors 115 steht über seine gesamte Länge in unmittelbarem Kontakt mit dem Gehäuseteil 102 und ist mit dieser mindestens über mehrere Abschnitte, bevorzugt über seine gesamte Länge, durch Verschweißung verbunden. Das Gehäuseteil 102 dient hier somit gleichzeitig als Kontaktplatte. The edge 115e of the cathode current collector 115 is in direct contact with the housing part 102 over its entire length and is connected to it by welding at least over several sections, preferably over its entire length. The housing part 102 thus simultaneously serves as a contact plate.
Der Anodenstromkollektor 110 ist beidseitig mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial 123 beladen, weist jedoch einen freien Randstreifen 121 auf, der sich entlang des Längsrands llOe erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 123 beladen ist. Stattdessen ist der freie Rand streifen 121 beidseitig mit einem keramischen Stützmaterial 165 beschichtet. The anode current collector 110 is loaded on both sides with a layer of negative electrode material 123, but has a free edge strip 121 which extends along the longitudinal edge 110e and which is not loaded with the electrode material 123. Instead, the free edge strip 121 is coated on both sides with a ceramic support material 165.
Der Kathodenstromkollektor 115 ist beidseitig mit einer Schicht aus negativem Elektrodenmaterial 125 beladen, weist jedoch einen freien Randstreifen 117 auf, der sich entlang des Längsrands 115e erstreckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial 125 beladen ist. Stattdessen ist der freie Rand streifen 117 beidseitig mit einem keramischen Stützmaterial 165 beschichtet. The cathode current collector 115 is loaded on both sides with a layer of negative electrode material 125, but has a free edge strip 117 which extends along the longitudinal edge 115e and which is not loaded with the electrode material 125. Instead, the free edge strip 117 is coated on both sides with a ceramic support material 165.
Die Stromkollektoren 110 und 115 können in bevorzugten Ausführungsformen in den Bereichen, in denen sie mit den Elektrodenmaterialien 123 und 125 beladen sind, perforiert sein, beispielsweise wie dies in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist. In preferred embodiments, the current collectors 110 and 115 can be perforated in the areas in which they are loaded with the electrode materials 123 and 125, for example as shown in FIGS. 1 and 2.
Der Elektroden-Separator-Verbund 104 weist zwei Stirnseiten auf, die durch die Längsränder 118a und 119a sowie 118b und 119b der Separatoren 118 und 119 gebildet werden. Aus diesen Stirnseiten ragen die Längsränder der Stromkollektoren 110 und 115 hervor. Die entsprechenden Überstände sind mit dl und d2 bezeichnet. The electrode-separator composite 104 has two end faces which are formed by the longitudinal edges 118a and 119a as well as 118b and 119b of the separators 118 and 119. From these end faces the longitudinal edges of the current collectors 110 and 115 protrude. The corresponding protrusions are labeled d1 and d2.
Die Separatoren 118 und 119 weisen entweder jeweils mindestens eine Oberfläche auf, die eine ke ramische Beschichtung aufweist, oder sie umfassen jeweils ein keramisches Füllmaterial, das ihre Beständigkeit gegenüber thermischen Belastungen verbessert. The separators 118 and 119 either each have at least one surface that has a ceramic coating, or they each include a ceramic filler material that improves their resistance to thermal loads.
Im Gehäuseteil 102 findet sich ein Loch 109, das beispielsweise zur Einbringung von Elektrolyt in das Gehäuse dienen kann. Das Loch ist mit dem Überdruckventil 141 verschlossen, das mit dem Gehäu seteil 102 beispielsweise durch Verschweißung verbunden ist. In the housing part 102 there is a hole 109 which can be used, for example, to introduce electrolyte into the housing. The hole is closed with the pressure relief valve 141, which is connected to the housing seteil 102, for example by welding.
Die Gehäuseteile 101 und 102 sind durch die Dichtung 103 elektrisch voneinander isoliert. Das Ge häuse ist durch Bördelung verschlossen. Hierzu ist der Öffnungsrand 101c des Gehäuseteils radial nach innen umgebogen. Das Gehäuseteil 101 bildet den Minuspol und das Gehäuseteil 102 den Plus pol der Zelle 100. The housing parts 101 and 102 are electrically isolated from one another by the seal 103. The housing is closed by a flange. For this purpose, the opening edge 101c of the housing part is bent radially inward. The housing part 101 forms the negative pole and the housing part 102 the positive pole of the cell 100.
Zur Herstellung der in Fig. 11 dargestellten Zelle kann gemäß Fig. 12 vorgegangen werden, die ein zelnen Verfahrensschritte A bis I sind im Folgenden beschrieben. Zunächst wird der Elektroden-Se- parator-Verbund 104 bereitgestellt, auf dessen obere Stirnseite das als Kontaktplatte dienende Ge häuseteil 102 aufgelegt wird. Dieses wird im Schritt B mit dem Längsrand 115e des Kathodenstrom kollektors 115 verschweißt. Im Schritt C wird die umlaufende Dichtung 103 auf den Rand des Gehäu seteils 102 aufgezogen. Mit diesem wird im Schritt D der Elektroden-Separator-Verbund 104 in das Gehäuseteil 101 soweit eingeschoben, bis der Längsrand llOe des Anodenstromkollektors 110 in unmittelbarem Kontakt mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 steht. Im Schritt E wird dieser mit dem Boden 101a des Gehäuseteils 101 verschweißt. Im Schritt F erfolgt durch Bördelung der Ver schluss des Gehäuses. Hierzu wird derderöffnungsrand lOlcdes Gehäuseteils 101 radial nach innen umgebogen. Im Schritt G erfolgt eine Befüllung des Gehäuses mit Elektrolyt, der durch die Öffnung 109 in das Gehäuse eindosiert wird. Die Öffnung 109 wird in den Schritten H und I mittels des Über druckventils 141, das auf das Gehäuseteil 102 aufgeschweißt wird, verschlossen. To produce the cell shown in FIG. 11, the procedure shown in FIG. 12 can be followed; the individual method steps A to I are described below. First, the electrode-separator assembly 104 is provided, on whose upper end face the housing part 102 serving as a contact plate is placed. This is in step B with the longitudinal edge 115e of the cathode current collector 115 welded. In step C, the circumferential seal 103 is pulled onto the edge of the housing part 102. With this, in step D, the electrode-separator assembly 104 is pushed into the housing part 101 until the longitudinal edge 110e of the anode current collector 110 is in direct contact with the bottom 101a of the housing part 101. In step E, this is welded to the base 101a of the housing part 101. In step F, the casing closes by flanging. For this purpose, the opening edge 10c of the housing part 101 is bent over radially inward. In step G, the housing is filled with electrolyte, which is metered into the housing through the opening 109. The opening 109 is closed in steps H and I by means of the pressure relief valve 141 which is welded onto the housing part 102.
Der Elektroden-Separator-Verbund 104 kann beispielsweise eine positive Elektrode aus 95 Gew.-% NMCA, 2 Gew.-% eines Elektrodenbinders und 3 Gew.-% Ruß als Leitmittel aufweisen. The electrode-separator assembly 104 can, for example, have a positive electrode composed of 95% by weight of NMCA, 2% by weight of an electrode binder and 3% by weight of carbon black as the conductive agent.
Die negative Elektrode kann in einigen bevorzugten Ausführungsformen beispielsweise 70 Gew.-% Silizium, 25 Gew.-% Graphit, 2 Gew.-% eines Elektrodenbinders und 3 Gew.-% Ruß als Leitmittel um fassen. Als Elektrolyt kann eine 2 M Lösung von Li PF6 in THF/mTHF (1:1) oder eine 1.5 M Lösung von LiPF6 in FEC/EMC (3:7) mit 2 Gew.-% VC eingesetzt werden. In some preferred embodiments, the negative electrode can be, for example, 70% by weight Silicon, 25% by weight of graphite, 2% by weight of an electrode binder and 3% by weight of carbon black as a conductive agent. A 2 M solution of Li PF6 in THF / mTHF (1: 1) or a 1.5 M solution of LiPF6 in FEC / EMC (3: 7) with 2% by weight of VC can be used as the electrolyte.
In vielen weiteren bevorzugten Ausführungsformen kommen Anoden zum Einsatz, die einen hohen Anteil an einem kohlenstoffbasierten Speichermaterial und einen Silizium/Siliziumoxid- Anteil < 10 Gew.-% aufweisen. In diesen Fällen werden vielfach klassische Elektrolyten eingesetzt, bei den ein Leitsalz in einem Gemisch organischer Carbonate gelöst ist. In many other preferred embodiments, anodes are used which have a high proportion of a carbon-based storage material and a silicon / silicon oxide proportion of <10% by weight. In these cases, classic electrolytes are often used, in which a conductive salt is dissolved in a mixture of organic carbonates.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Lithium-Ionen-Zelle (100) mit den Merkmalen a. die Zelle umfasst einen bandförmigen Elektroden-Separator-Verbund (104) mit der Sequenz Anode (120) / Separator (118) / Kathode (130), b. die Anode (120) umfasst ein negatives Elektrodenmaterial (123) sowie einen band förmigen Anodenstromkollektor (110) mit einem ersten Längsrand (HOe) und einem zweiten Längsrand und zwei Endstücken, c. der Anodenstromkollektor (110) weist einen bandförmigen Hauptbereich (122), der mit einer Schicht aus dem negativen Elektrodenmaterial (123) beladen ist, sowie ei nen freien Randstreifen (121), der sich entlang des ersten Längsrands (llOe) er streckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial (123) beladen ist, auf, d. die Kathode (130) umfasst ein positives Elektrodenmaterial (125) sowie einen band förmigen Kathodenstromkollektor (115) mit einem ersten Längsrand (115e) und ei nem zweiten Längsrand und zwei Endstücken, e. der Kathodenstromkollektor (115) weist einen bandförmigen Hauptbereich (116), der mit einer Schicht aus positivem Elektrodenmaterial (125) beladen ist, sowie ei nen freien Randstreifen (117), der sich entlang des ersten Längsrands (115e) er streckt und der nicht mit dem Elektrodenmaterial (125) beladen ist, auf, f. der Elektroden-Separator-Verbund (104) liegt in Form eines Wickels mit zwei end ständigen Stirnseiten vor, g. die Elektroden-Separator-Verbund (104) ist von einem Gehäuse umschlossen, h. die Anode (120) und die Kathode (130) sind innerhalb des Elektroden-Separator-Ver- bunds (104) versetzt angeordnet, so dass der erste Längsrand (llOe) des Anoden stromkollektors (110) aus einer der endständigen Stirnseiten und der erste Längs rand (115e) des Kathodenstromkollektors (115) aus der anderen der endständigen Stirnseiten austritt, i. die Zelle weist ein metallisches Kontaktelement (101a, 102, 155) auf, mit dem einer der ersten Längsränder (llOe, 115e) in unmittelbarem Kontakt steht, und j. das Kontaktelement (101a, 102, 155) ist mit diesem Längsrand (llOe, 115e) durch Verschweißung verbunden, sowie dem zusätzlichen kennzeichnenden Merkmal k. der Separator (118) umfasst mindestens ein anorganisches Material, das seine Wi derstandsfähigkeit gegenüber thermischen Belastungen verbessert. 1. Lithium-ion cell (100) with the features a. the cell comprises a band-shaped electrode-separator composite (104) with the sequence anode (120) / separator (118) / cathode (130), b. the anode (120) comprises a negative electrode material (123) and a band-shaped anode current collector (110) with a first longitudinal edge (HOe) and a second longitudinal edge and two end pieces, c. the anode current collector (110) has a band-shaped main region (122) which is loaded with a layer of the negative electrode material (123), as well as a free edge strip (121) which extends along the first longitudinal edge (110e) and which does not is loaded with the electrode material (123), d. the cathode (130) comprises a positive electrode material (125) and a band-shaped cathode current collector (115) with a first longitudinal edge (115e) and a second longitudinal edge and two end pieces, e. the cathode current collector (115) has a band-shaped main area (116) which is loaded with a layer of positive electrode material (125), as well as a free edge strip (117) which extends along the first longitudinal edge (115e) and which does not the electrode material (125) is loaded, f. the electrode-separator composite (104) is in the form of a coil with two end faces, g. the electrode-separator assembly (104) is enclosed by a housing, h. the anode (120) and the cathode (130) are offset within the electrode-separator assembly (104) so that the first longitudinal edge (110e) of the anode current collector (110) consists of one of the end faces and the first longitudinal edge the edge (115e) of the cathode current collector (115) emerges from the other of the end faces, i. the cell has a metallic contact element (101a, 102, 155) with which one of the first longitudinal edges (110e, 115e) is in direct contact, and j. the contact element (101a, 102, 155) is connected to this longitudinal edge (110e, 115e) by welding, as well as the additional characterizing feature k. the separator (118) comprises at least one inorganic material that improves its resistance to thermal loads.
2. Zelle nach Anspruch 1 mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen: a. Der Elektroden-Separator-Verbund (104) umfasst zusätzlich einen zweiten Separa tor (119). b. Der Separator (118) und der Separator (119) sind identisch ausgebildet. c. Der Elektroden-Separator-Verbund (104) weist die Sequenz Anode (120) / Separator (118) / Kathode (130) / Separator (119) oder die Sequenz Separator (119) / Anode (120) / Separator (118) / Kathode (130) auf. 2. Cell according to claim 1 with the following additional features: a. The electrode-separator assembly (104) additionally comprises a second separator (119). b. The separator (118) and the separator (119) are identical. c. The electrode-separator assembly (104) has the sequence anode (120) / separator (118) / cathode (130) / separator (119) or the sequence separator (119) / anode (120) / separator (118) / cathode (130).
3. Zelle nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2 mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen: a. Der Separator (118) und/oder der Separator (119) ist ein bandförmiges Kunst stoffsubstrat mit einer Dicke im Bereich von 5 pm bis 50 pm, bevorzugt im Bereich von 7 pm bis 12 pm, sowie mit einem ersten und einem zweiten Längsrand und zwei Endstücken. b. Die Längsränder des Separators (118) und/oderdes Separators (119) bilden dieStirn- seiten des Elektroden-Separator-Verbunds (104). 3. Cell according to claim 1 or according to claim 2 with the following additional features: a. The separator (118) and / or the separator (119) is a strip-shaped plastic substrate with a thickness in the range from 5 pm to 50 pm, preferably in the range from 7 pm to 12 pm, and with a first and a second longitudinal edge and two End pieces. b. The longitudinal edges of the separator (118) and / or the separator (119) form the end faces of the electrode-separator assembly (104).
4. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Das mindestens eine anorganische Material ist als partikuläres Füllmaterial in dem Separator (118) und/oder dem Separator (119) enthalten. 4. Cell according to one of the preceding claims with the following additional feature: a. The at least one inorganic material is contained as a particulate filler material in the separator (118) and / or the separator (119).
5. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Das mindestens eine anorganische Material liegt als Beschichtungaufeiner Oberflä che des Separators (118) und/oder des Separators (119) vor. 5. Cell according to one of the preceding claims with the following additional feature: a. The at least one inorganic material is present as a coating on a surface of the separator (118) and / or the separator (119).
6. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zu sätzlichen Merkmale: a. Das mindestens eine anorganische Material ist oder umfasst ein elektrisch isolieren des Material. b. Das mindestens eine anorganische Material ist oder umfasst mindestens ein Material aus der Gruppe mit keramischem Material, glaskeramischem Material und Glas. c. Das mindestens eine anorganische Material ist oderumfasstein Lithiumionen leiten des keramisches Material. d. Das mindestens eine anorganische Material ist oder umfasst ein oxidisches Material, insbesondere ein Metalloxid. e. Bei dem keramischen oder dem oxidischen Material handelt es sich um Alumini umoxid (Al203), um Titanoxid (Ti02), um Titannitrid (TiN), um Titanaluminiumnitrid (TiAlN), um ein Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid (Si02) oderum Titancarbo nitrid (TiCN). 6. Cell according to one of the preceding claims with at least one of the following additional features: a. The at least one inorganic material is or comprises an electrically insulating material. b. The at least one inorganic material is or comprises at least one material selected from the group comprising ceramic material, glass-ceramic material and glass. c. The at least one inorganic material is or comprises lithium ions conducting the ceramic material. d. The at least one inorganic material is or comprises an oxidic material, in particular a metal oxide. e. The ceramic or oxidic material is aluminum oxide (Al 2 0 3 ), titanium oxide (Ti0 2 ), titanium nitride (TiN), titanium aluminum nitride (TiAlN), a silicon oxide, in particular silicon dioxide (Si0 2 ) or Titanium carbon nitride (TiCN).
7. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem derfolgenden zu sätzlichen Merkmale: a. Der Separator (118) und/oder der Separator (119) umfasst das mindestens eine an organische Material lediglich bereichsweise. b. Der Separator (118) und/oder der Separator (119) weist entlang des ersten und/oder des zweiten Längsrands einen Randstreifen auf, in dem er das mindestens eine an organische Material als Beschichtung und/oder als partikuläres Füllmaterial um fasst. c. Der Separator (118) und/oder der Separator (119) weist einen bandförmigen Haupt bereich auf, in dem er frei von dem mindestens einen anorganischen Material ist. 7. Cell according to one of the preceding claims with at least one of the following additional features: a. The separator (118) and / or the separator (119) comprises the at least one organic material only in regions. b. The separator (118) and / or the separator (119) has an edge strip along the first and / or the second longitudinal edge in which it comprises the at least one organic material as a coating and / or as a particulate filler material. c. The separator (118) and / or the separator (119) has a band-shaped main area in which it is free of the at least one inorganic material.
8. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Der freie Randstreifen (121) des Anodenstromkollektors (110) und/oder der freie Randstreifen (117) des Kathodenstromkollektors (115) ist mit einem Stützmaterial (165) beschichtet, das sich von dem auf dem jeweiligen Stromkollektor angeordne ten Elektrodenmaterial (123) oder (125) unterscheidet. 8. Cell according to one of the preceding claims with the following additional feature: a. The free edge strip (121) of the anode current collector (110) and / or the free edge strip (117) of the cathode current collector (115) is coated with a support material (165) that is different from the electrode material (123) or ( 125) differs.
9. Zelle nach Anspruch 8 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Der freie Randstreifen (121) des Anodenstromkollektors (110) und/oder der freie Randstreifen (117) des Kathodenstromkollektors (115) umfasst einen ersten Teilbe reich und einen zweiten Teilbereich, wobei der erste Teilbereich mit dem Stützma terial (165) beschichtet ist, während der zweite Teilbereich unbeschichtet ist. b. Der erste Teilbereich und derzweite Teilbereich weisen jeweils die Form einer Linie oder eines Streifens auf und verlaufen parallel zueinander. c. Der erste Teilbereich ist zwischen dem bandförmigen Hauptbereich des Anoden stromkollektors (110) oder des Kathodenstromkollektors (115) und dem zweiten Teilbereich angeordnet. 9. Cell according to claim 8 with at least one of the following additional features: a. The free edge strip (121) of the anode current collector (110) and / or the free edge strip (117) of the cathode current collector (115) comprises a first partial area and a second partial area, the first partial area being coated with the support material (165) while the second part is uncoated. b. The first sub-area and the second sub-area each have the shape of a line or a strip and run parallel to one another. c. The first sub-area is arranged between the band-shaped main area of the anode current collector (110) or the cathode current collector (115) and the second sub-area.
10. Zelle nach Anspruch 8 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Der freie Randstreifen (121) des Anodenstromkollektors (110) und/oder der freie Randstreifen (117) des Kathodenstromkollektors (115) ist bis hin zum ersten Längs rand (HOe) mit dem Stützmaterial (165) beschichtet. 10. The cell of claim 8 having the following additional feature: a. The free edge strip (121) of the anode current collector (110) and / or the free edge strip (117) of the cathode current collector (115) is coated with the support material (165) up to the first longitudinal edge (HOe).
11. Zelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen11. Cell according to one of claims 8 to 10 with at least one of the following additional
Merkmale: a. Der Separator (118) und/oder der Separator (119) umfasst das mindestens eine an organische Material lediglich bereichsweise. b. Der Separator (118) und/oder der Separator (119) umfasst das mindestens eine an organische Material in einem Bereich, der in dem Elektroden-Separator-Verbund (104) eine Grenze zwischen dem Stützmaterial und dem jeweils angrenzenden Elekt rodenmaterial abdeckt. Features: a. The separator (118) and / or the separator (119) comprises the at least one organic material only in regions. b. The separator (118) and / or the separator (119) comprises the at least one organic material in a region which in the electrode-separator composite (104) covers a boundary between the support material and the respectively adjoining electrode material.
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